金属状態検出装置及び金属状態検出方法
【課題】第一発振回路（第一検出コイル）及び第二発振回路（第二検出コイル）を用いて金属の状態を高精度に検出するにあたり、相互干渉による検出精度の低下を回避すると共に、応答周期を短縮する。
【解決手段】第一検出コイルＬ１のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路２と、第二検出コイルＬ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路３とを備え、両発振回路２、３から出力される発振波の位相ズレに基づいて、金属の状態を検出するにあたり、相互干渉を避けるために、第一発振回路２と第二発振回路３を交互に駆動させる。また、第一発振回路２の駆動終了時及び第二発振回路３の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路２に係る最新の測定時間（位相ズレ）と第二発振回路３に係る最新の測定時間（位相ズレ）との差分を求めて出力する。
【解決手段】第一検出コイルＬ１のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路２と、第二検出コイルＬ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路３とを備え、両発振回路２、３から出力される発振波の位相ズレに基づいて、金属の状態を検出するにあたり、相互干渉を避けるために、第一発振回路２と第二発振回路３を交互に駆動させる。また、第一発振回路２の駆動終了時及び第二発振回路３の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路２に係る最新の測定時間（位相ズレ）と第二発振回路３に係る最新の測定時間（位相ズレ）との差分を求めて出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の状態を検出する金属状態検出装置及び金属状態検出方法に関し、特に、金属の応力、疲労、損傷、欠陥、材質などの状態検出に適した金属状態検出装置及び金属状態検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の状態を、その金属の磁気的な特性変化（透磁率変化など）に基づいて検出する金属状態検出装置や金属状態検出方法が知られている。例えば、回転軸のトルク（捻り応力）を、磁歪の逆効果を利用して検出する磁歪式トルクセンサは、電動アシスト自転車のトルクアシストシステムなどにおいて既に実用化されている。
【０００３】
従来の磁歪式トルクセンサは、回転軸の二つの外周領域に、それぞれ＋４５°と−４５°の磁気異方性を付与すると共に、各外周領域に対向して一対の検出コイルを配置し、これらの検出コイル間に生じる差動電圧を出力するように構成される。つまり、回転軸にトルクを加えると、磁歪の逆効果により各外周領域の透磁率が背反的に変化するため、検出コイル間に差動電圧が生じ、トルクに比例した出力が得られる（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平７−８３７６９号公報
【特許文献２】特開平１１−３７８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の金属状態検出装置では、ブリッジ回路などを用いて、検出コイル間に生じる僅かな差動電圧を検出し、この差動電圧を増幅回路で増幅しているため、ノイズの影響を受けやすく、高精度な検出が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の如き実情に鑑み、これらの課題を解決することを目的として創作された本発明の金属状態検出装置は、金属の状態を検出する金属状態検出装置であって、金属の状態変化に応じてインダクタンスが変化するように配置される第一検出コイル及び第二検出コイルと、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路と、第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出する第一位相ズレ検出手段と、第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出する第二位相ズレ検出手段と、第一発振回路に係る測定時間と第二発振回路に係る測定時間との差分を求めて出力する差分検出手段とを備え、第一発振回路と第二発振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動され、差分検出手段は、第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力することを特徴とする。
このような金属状態検出装置によれば、金属の状態を高精度に検出することができる。すなわち、上記のような発振回路から出力される発振波においては、金属の状態（透磁率変化など）が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、金属の状態に応じて変化する位相ズレを高精度に検出できる。また、発振波の位相ズレを、発振波カウント処理に要した時間として測定するので、安価なデジタル回路を用いて高分解能測定を行うことができる。つまり、本発明における金属状態検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の金属状態検出を行うことができる。また、第一発振回路に係る測定時間（位相ズレ）と第二発振回路に係る測定時間（位相ズレ）との差分を検出するので、温度誤差や変位誤差を容易に排除することができる。また、第一発振回路と第二発振回路は、交互に駆動されるので、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域を、相互干渉を考慮せずに任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。また、第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力するので、応答周期を短縮し、良好な応答性が得られる。つまり、第一発振回路及び第二発振回路の駆動が終了した時点で差分を求めるのではなく、各発振回路の駆動が終了する毎に差分を求めるので、前者に比べて応答周期を約１／２に短縮することができる。
また、本発明の金属状態検出方法は、金属の状態を検出する金属状態検出方法であって、金属の状態変化に応じてインダクタンスが変化するように配置される第一検出コイル及び第二検出コイルと、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路とが用いられ、第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、第一発振回路に係る測定時間と第二発振回路に係る測定時間との差分を求めて出力するにあたり、第一発振回路と第二発振回路を、相互干渉を避けるために、交互に駆動させ、第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力することを特徴とする。
このような金属状態検出方法によれば、金属の状態を高精度に検出することができる。すなわち、上記のような発振回路から出力される発振波においては、金属の状態（透磁率変化など）が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、金属の状態に応じて変化する位相ズレを高精度に検出できる。また、発振波の位相ズレを、発振波カウント処理に要した時間として測定するので、安価なデジタル回路を用いて高分解能測定を行うことができる。つまり、本発明における金属状態検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の金属状態検出を行うことができる。また、第一発振回路に係る測定時間（位相ズレ）と第二発振回路に係る測定時間（位相ズレ）との差分を検出するので、温度誤差や変位誤差を容易に排除することができる。また、第一発振回路と第二発振回路は、交互に駆動されるので、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域を、相互干渉を考慮せずに任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。また、第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力するので、応答周期を短縮し、良好な応答性が得られる。つまり、第一発振回路及び第二発振回路の駆動が終了した時点で差分を求めるのではなく、各発振回路の駆動が終了する毎に差分を求めるので、前者に比べて応答周期を約１／２に短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
次に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。ただし、図面に示す波形には、実際の検出波形とシミュレーション波形が含まれる。
【０００７】
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態に係る金属状態検出装置（磁歪式トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。この図に示される金属状態検出装置は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸Ｓ（又は静止軸）のトルクを検出する磁歪式トルクセンサ１であり、第一検出コイルＬ１、第二検出コイルＬ２、第一発振回路２、第二発振回路３及び検出回路４を備えて構成されている。
【０００８】
第一検出コイルＬ１は、軸表面において第一方向（例えば、＋４５°方向）の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する。また、第二検出コイルＬ２は、軸表面において第二方向（例えば、−４５°方向）の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する。
【０００９】
本実施形態の検出コイルＬ１、Ｌ２は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、高透磁率材料を用いて形成されコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されている。具体的には、フェライト、パーマロイ、アモルファスなどの高透磁率材料からなるＵ字コア２ａ、３ａに、コイルを巻装して構成されており、Ｕ字コア２ａ、３ａの両端を軸表面に近接させることにより、軸表面との間で閉磁路を構成するようになっている。これにより、軸表面の限られた領域に第一方向及び第二方向の磁路を形成し、該磁路における透磁率変化を検出することが可能になる。
【００１０】
第一発振回路２は、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルＬ１のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせるように構成される。また、第二発振回路３は、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルＬ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせるように構成される。例えば、シュミット発振回路の帰還回路に検出コイルＬ１、Ｌ２を配置すれば、検出コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレが生じる発振回路２、３を構成することができる。
【００１１】
シュミット発振回路は、シュミットインバータＩＮＶのヒステリシス特性を利用した発振回路であり、シュミットインバータＩＮＶと、シュミットインバータＩＮＶの入力側に接続されるコンデンサＣと、シュミットインバータＩＮＶの出力をシュミットインバータＩＮＶの入力側に帰還させる帰還回路と、この帰還回路に介在する抵抗要素とを備えて構成されている。
【００１２】
初期状態のシュミット発振回路では、コンデンサＣに電荷が溜まっていないため、コンデンサＣの両端の電圧は０Ｖとなっている。このとき、シュミットインバータＩＮＶは、入力側電圧ＶｉｎがＶＬ以下なので、出力がＨレベル（５Ｖ）となる。シュミットインバータＩＮＶの出力側電圧Ｖｏｕｔが５Ｖのときは、帰還回路２ａを介してシュミットインバータＩＮＶの入力側に電流が流れるので、コンデンサＣに電荷が徐々に溜まり、その両端の電圧が上昇する。そして、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧ＶｉｎがＶＨに達すると、シュミットインバータＩＮＶの出力がＬレベル（０Ｖ）に切換わる。シュミットインバータＩＮＶの出力側電圧Ｖｏｕｔが０Ｖになると、コンデンサＣが放電し、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧Ｖｉｎが徐々に降下する。そして、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧ＶｉｎがＶＬまで降下すると、シュミットインバータＩＮＶの出力がＨレベルに切換わる。
【００１３】
以上の動作の繰り返しにより、シュミットインバータＩＮＶの出力側から所定周波数の矩形波が得られる。そして、シュミット発振回路の発振周波数ｆ（＝１／Ｔ）は、蓄電期間ＴＨと放電期間ＴＬにより決まり、蓄電期間ＴＨと放電期間ＴＬは、コンデンサＣ及び抵抗要素の定数により決まる。したがって、抵抗要素として帰還回路に検出コイルＬ１、Ｌ２を配置すれば、検出コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンス変化に応じてシュミット発振回路の発振波に位相ズレを生じさせることができる。
【００１４】
なお、本発明の発振回路がシュミット発振回路に限定されないことは勿論であり、検出コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる発振回路であれば、ＣＲ発振回路、ＬＣ発振回路、水晶発振回路などを用いてもよい。
【００１５】
検出回路４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどが内蔵されたマイコン（１チップマイコン）を用いて構成され、ＲＯＭに書き込まれたプログラムに従って後述するトルク検出処理を行う。なお、検出回路４は、複数のマイコンで構成したり、一又は複数のＩＣで構成することもできる。
【００１６】
検出回路４は、第一発振回路２から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段（第一位相ズレ検出手段）と、第二発振回路３から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段（第二位相ズレ検出手段）と、第一方向の透磁率と第二方向の透磁率との差分にもとづいて、回転軸Ｓのトルクを検出するトルク検出手段（差分検出手段）とを備える。
【００１７】
このようにすると、磁歪式トルクセンサ１のトルク検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一発振回路２や第二発振回路３から出力される発振波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することが可能になる。また、発振回路２、３から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ（透磁率変化）を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路２、３の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路２、３の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
【００１８】
第一発振回路２と第二発振回路３は、相互干渉を避けるために、交互に駆動される。このようにすると、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
【００１９】
また、第一発振回路２と第二発振回路３を交互駆動させるにあたり、検出回路４は、第一発振回路２の駆動終了時及び第二発振回路３の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路２に係る最新の測定時間と第二発振回路３に係る最新の測定時間との差分を求めて出力するように構成される。このようにすると、応答周期を短縮し、良好な応答性が得られる。つまり、第一発振回路２及び第二発振回路３の駆動が終了した時点で差分を求めるのではなく、各発振回路２、３の駆動が終了する毎に差分を求めるので、前者に比べて応答周期を約１／２に短縮することができる。
【００２０】
第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することが好ましい。つまり、本発明の磁歪式トルクセンサ１では、トルクに応じた発振波の位相ズレを、発振波の数だけ蓄積して検出するので、発振波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、ＳＮ比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイルＬ１、Ｌ２側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸Ｓであっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
【００２１】
磁歪式トルクセンサ１でトルクを検出する回転軸Ｓの軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜５であることが好ましい。例えば、回転軸Ｓの一部又は全体の領域に、ニッケル合金からなる磁歪膜５を全周に亘ってメッキする。このようにすると、トルクに応じた磁歪膜５における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の磁歪式トルクセンサ１では、メッキ法により成膜された磁歪膜５であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材（樹脂を含む）を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。
【００２２】
次に、本発明における発振波の位相ズレ蓄積作用について、図２及び図３を参照して説明する。
【００２３】
図２は、発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形始端部を拡大）を示す説明図、図３は、発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形終端部を拡大）を示す説明図である。これらの図に示す波形は、一回の検出処理における発振回路２、３の出力波形であって、発振回路２、３から出力される発振波の数をカウントし、カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを測定するにあたり、発振波カウント処理における発振波のカウント数Ｎを１００とした場合の波形であり、上側の波形は、回転軸Ｓにトルクを加えない場合を示し、下側の波形は、回転軸Ｓにトルクを加えた場合を示している。これらの図から明らかなように、検出波形の始端部、つまり発振波カウント処理における発振波のカウント数Ｎが少ない段階では、位相ズレがあまり蓄積されていないため、その差が明確ではないが（図２参照）、カウント数Ｎが多くなると、発振波の位相ズレが蓄積され、その差が明確になるので、位相ズレの測定が容易になることがわかる（図３参照）。そして、発振波の位相ズレは、回転軸Ｓに作用するトルクに比例して大きくなるので、発振波の位相ズレにもとづいて、回転軸Ｓに作用するトルクを高精度に測定することが可能になる。また、各発振回路２、３から出力される発振波の位相ズレは、磁歪の逆効果にもとづいて背反方向に現れるので、その差分にもとづいて回転軸Ｓのトルク量及びトルク極性を検出できるだけでなく、温度誤差や変位誤差が相殺された検出値を得ることができる。
【００２４】
次に、検出回路４の具体的な検出処理手順について、図４〜図７を参照して説明する。
【００２５】
図４に示すトルク検出処理では、まず、初期設定（Ｓ１１：発振波カウント数Ｎの初期値設定を含む）を行った後、カウント数変更処理（Ｓ１２）を行い、前回の検出方向を判断する（Ｓ１３）。ここで、前回の検出方向が第二方向（又は無し）であると判断した場合は、第一方向透磁率検出処理（Ｓ１４：第一位相ズレ検出手段）を実行し、前回の検出方向が第一方向であると判断した場合は、第二方向透磁率検出処理（Ｓ１５：第二位相ズレ検出手段）を実行する。その後、透磁率検出処理（Ｓ１４、Ｓ１５）で得られた最新の第一方向透磁率検出値（第一発振回路２に係る測定時間）と最新の第二方向透磁率検出値（第二発振回路３に係る測定時間）の差分を演算すると共に（Ｓ１６：差分検出手段）、演算した差分を所定の検出信号形式に変換して出力することにより（Ｓ１７）、一回のトルク検出処理が終了する。
【００２６】
図５に示すカウント数変更処理では、まず、カウント数変更信号の入力を判断し（Ｓ２１）、該判断結果がＹＥＳの場合は、カウント数変更信号に含まれる発振波カウント数Ｎを読み取り（Ｓ２２）、これに従って発振波カウント数Ｎを変更する（Ｓ２３）。
【００２７】
図６に示す第一方向透磁率検出処理では、第一発振回路２の駆動を開始した後（Ｓ３１）、カウンタクリア処理（Ｓ３２）と、発振波カウント処理（Ｓ３３、Ｓ３４）と、時間測定処理（Ｓ３５）を実行し、その後に第一発振回路２の駆動を停止させる（Ｓ３６）。カウンタクリア処理は、発振波カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である（Ｓ３２）。また、発振波カウント処理は、第一発振回路２から出力される発振波の数をカウントし（Ｓ３３）、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する処理である（Ｓ３４）。また、時間測定処理は、発振波のカウント数がＮになったら、時間計測カウンタ値（第一方向透磁率検出値）を読み込む処理である（Ｓ３５）。
【００２８】
図７に示す第二方向透磁率検出処理では、第二発振回路３の駆動を開始した後（Ｓ４１）、カウンタクリア処理（Ｓ４２）と、発振波カウント処理（Ｓ４３、Ｓ４４）と、時間測定処理（Ｓ４５）を実行し、その後に第二発振回路３の駆動を停止させる（Ｓ４６）。カウンタクリア処理は、発振波カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である（Ｓ４２）。また、発振波カウント処理は、第二発振回路３から出力される発振波の数をカウントし（Ｓ４３）、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する処理である（Ｓ４４）。また、時間測定処理は、発振波のカウント数がＮになったら、時間計測カウンタ値（第二方向透磁率検出値）を読み込む処理である（Ｓ４５）。
【００２９】
図８は、比較例（Ａ）と本実施例（Ｂ）の応答周期を示している。つまり、第一発振回路２と第二発振回路３を交互駆動させるにあたり、第一発振回路２の駆動終了時及び第二発振回路３の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路２に係る最新の測定時間と第二発振回路３に係る最新の測定時間との差分を求めて出力する本実施例の応答周期は、第一発振回路２及び第二発振回路３の駆動が終了した時点で差分を求めて出力する比較例の応答周期に比べ、約１／２に短縮されていることがわかる。なお、一方の発振回路の駆動停止に伴う差分処理開始時に、他方の発振回路の駆動を開始し、差分処理と他方の発振回路に係る位相ズレ検出処理とを並列的に行うようにしてもよい。このようにすると、応答周期をさらに短縮することが可能になる。
【００３０】
叙述の如く構成された本実施形態によれば、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸Ｓのトルクを検出する磁歪式トルクセンサ１であって、軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第一検出コイルＬ１と、軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第二検出コイルＬ２と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルＬ１のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路２と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルＬ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路３と、第一発振回路２から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第一方向の透磁率変化を検出し、第二発振回路３から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第二方向の透磁率変化を検出し、第一方向の透磁率と第二方向の透磁率との差分にもとづいて、回転軸Ｓのトルクを検出する検出回路４とを備えるので、トルク検出精度を向上させることができる。
【００３１】
つまり、上記のように構成された第一発振回路２や第二発振回路３から出力される発振波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することが可能になる。また、発振回路２、３から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ（透磁率変化）を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路２、３の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路２、３の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
【００３２】
また、第一発振回路２と第二発振回路３は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されるので、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
【００３３】
また、第一発振回路２と第二発振回路３を交互駆動させるにあたり、検出回路４は、第一発振回路２の駆動終了時及び第二発振回路３の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路２に係る最新の測定時間と第二発振回路３に係る最新の測定時間との差分を求めて出力するので、応答周期を短縮し、良好な応答性が得られる。つまり、第一発振回路２及び第二発振回路３の駆動が終了した時点で差分を求めるのではなく、各発振回路２、３の駆動が終了する毎に差分を求めるので、前者に比べて応答周期を約１／２に短縮することができる。
【００３４】
［第二実施形態］
つぎに、本発明の第二実施形態に係る金属状態検出装置（磁歪式トルクセンサ）について、図９〜図１１を参照して説明する。ただし、第一実施形態と共通の部分については、第一実施形態と同一符号を付し、第一実施形態の説明を援用する。
【００３５】
図９に示すように、第二実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１１は、各発振回路２、３がそれぞれ複数の検出コイルＬ１、Ｌ２を備える点が第一実施形態と相違している。具体的に説明すると、第一発振回路２は、直列（又は並列）に接続された複数（例えば、４つ）の第一検出コイルＬ１を備え、第二発振回路３は、直列（又は並列）に接続された複数（例えば、４つ）の第二検出コイルＬ２を備える。このようにすると、第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２を、軸表面にそれぞれ複数配置することにより、軸表面に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルＬ１、Ｌ２と軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。
【００３６】
図１０及び図１１に示すように、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２は、回転軸Ｓの同一円周上に並ぶように配置することが好ましい。このようにすると、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルＬ１、Ｌ２と軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるのだけでなく、軸方向に存在する温度勾配の影響を最小化し、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。なお、複数の第一検出コイルＬ１及び複数の第二検出コイルＬ２は、環状のボビンＢで所定の位置に保持される。ボビンＢは、一体型でも良いし、分割型であっても良い。
【００３７】
複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２を、回転軸Ｓの同一円周上に並ぶように配置する場合、図９に示すように、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とが交互になるような配置構成とすることができる。このようにすると、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とのズレに起因する誤差の発生を抑制できるだけでなく、この誤差を回転軸Ｓの回転にもとづいて排除することができる。
【００３８】
また、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２を、回転軸Ｓの同一円周上に並ぶように配置する場合、図１０に示すように、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とが重なるような配置構成としてもよい。例えば、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２の高さ寸法を相違させ、平面視で交差するように配置する。このようにすると、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とのズレに起因する誤差の発生を防止することができる。
【００３９】
［第三実施形態］
つぎに、本発明の第三実施形態に係る金属状態検出装置（引張・圧縮応力センサ）について、図１２を参照して説明する。ただし、第一実施形態と共通の部分については、第一実施形態と同一符号を付し、第一実施形態の説明を援用する。
【００４０】
図１２に示される引張・圧縮応力センサ２１は、第一実施形態の磁歪式トルクセンサ１と略同じ構成であるが、第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２の配置方向が第二実施形態の磁歪式トルクセンサ１と相違している。具体的に説明すると、引張・圧縮応力センサ２１は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して静止軸Ｓの引張応力及び圧縮応力を検出する金属状態検出装置であって、第一検出コイルＬ１は、軸表面において軸方向の透磁率変化を検出するように配置され、第二検出コイルＬ２は、軸表面において周方向の透磁率変化を検出するように配置されている。つまり、軸方向の透磁率は、引張応力及び圧縮応力に応じて背反的に変化するため、第一検出コイルＬ１によって引張応力及び圧縮応力を良好に検出することができる。また、周方向の透磁率は、引張応力及び圧縮応力に応じて殆ど変化しないため、第二検出コイルＬ２によって温度変化を検出し、第一検出コイル１の温度補償を行うことができる。
【００４１】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されないことは勿論であって、金属の状態を検出する金属状態検出装置や金属状態検出方法であれば、磁歪式トルクセンサや引張・圧縮応力センサに限らず、金属の疲労、損傷、欠陥、材質などの状態検出にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第一実施形態に係る金属状態検出装置（磁歪式トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。
【図２】発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形始端部を拡大）を示す説明図である。
【図３】発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形終端部を拡大）を示す説明図である。
【図４】検出回路におけるトルク検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】検出回路におけるカウント数変更処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】検出回路における第一方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】検出回路における第二方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】（Ａ）は比較例に係るタイミングチャート、（Ｂ）は実施例に係るタイミングチャートである。
【図９】本発明の第二実施形態に係る金属状態検出装置（磁歪式トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。
【図１０】（Ａ）は検出コイルの第一の配置例を示す展開平面図、（Ｂ）は検出コイルの第一の配置例を示す側面図である。
【図１１】（Ａ）は検出コイルの第二の配置例を示す展開平面図、（Ｂ）は検出コイルの第二の配置例を示す側面図である。
【図１２】本発明の第三実施形態に係る金属状態検出装置（引張・圧縮応力センサ）の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４３】
１、１１ 磁歪式トルクセンサ
２ 第一発振回路
３ 第二発振回路
４ 検出回路
Ｌ１ 第一検出コイル
Ｌ２ 第二検出コイル
Ｓ 回転軸
２１ 引張・圧縮応力センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の状態を検出する金属状態検出装置及び金属状態検出方法に関し、特に、金属の応力、疲労、損傷、欠陥、材質などの状態検出に適した金属状態検出装置及び金属状態検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の状態を、その金属の磁気的な特性変化（透磁率変化など）に基づいて検出する金属状態検出装置や金属状態検出方法が知られている。例えば、回転軸のトルク（捻り応力）を、磁歪の逆効果を利用して検出する磁歪式トルクセンサは、電動アシスト自転車のトルクアシストシステムなどにおいて既に実用化されている。
【０００３】
従来の磁歪式トルクセンサは、回転軸の二つの外周領域に、それぞれ＋４５°と−４５°の磁気異方性を付与すると共に、各外周領域に対向して一対の検出コイルを配置し、これらの検出コイル間に生じる差動電圧を出力するように構成される。つまり、回転軸にトルクを加えると、磁歪の逆効果により各外周領域の透磁率が背反的に変化するため、検出コイル間に差動電圧が生じ、トルクに比例した出力が得られる（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平７−８３７６９号公報
【特許文献２】特開平１１−３７８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の金属状態検出装置では、ブリッジ回路などを用いて、検出コイル間に生じる僅かな差動電圧を検出し、この差動電圧を増幅回路で増幅しているため、ノイズの影響を受けやすく、高精度な検出が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の如き実情に鑑み、これらの課題を解決することを目的として創作された本発明の金属状態検出装置は、金属の状態を検出する金属状態検出装置であって、金属の状態変化に応じてインダクタンスが変化するように配置される第一検出コイル及び第二検出コイルと、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路と、第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出する第一位相ズレ検出手段と、第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出する第二位相ズレ検出手段と、第一発振回路に係る測定時間と第二発振回路に係る測定時間との差分を求めて出力する差分検出手段とを備え、第一発振回路と第二発振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動され、差分検出手段は、第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力することを特徴とする。
このような金属状態検出装置によれば、金属の状態を高精度に検出することができる。すなわち、上記のような発振回路から出力される発振波においては、金属の状態（透磁率変化など）が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、金属の状態に応じて変化する位相ズレを高精度に検出できる。また、発振波の位相ズレを、発振波カウント処理に要した時間として測定するので、安価なデジタル回路を用いて高分解能測定を行うことができる。つまり、本発明における金属状態検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の金属状態検出を行うことができる。また、第一発振回路に係る測定時間（位相ズレ）と第二発振回路に係る測定時間（位相ズレ）との差分を検出するので、温度誤差や変位誤差を容易に排除することができる。また、第一発振回路と第二発振回路は、交互に駆動されるので、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域を、相互干渉を考慮せずに任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。また、第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力するので、応答周期を短縮し、良好な応答性が得られる。つまり、第一発振回路及び第二発振回路の駆動が終了した時点で差分を求めるのではなく、各発振回路の駆動が終了する毎に差分を求めるので、前者に比べて応答周期を約１／２に短縮することができる。
また、本発明の金属状態検出方法は、金属の状態を検出する金属状態検出方法であって、金属の状態変化に応じてインダクタンスが変化するように配置される第一検出コイル及び第二検出コイルと、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路とが用いられ、第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、第一発振回路に係る測定時間と第二発振回路に係る測定時間との差分を求めて出力するにあたり、第一発振回路と第二発振回路を、相互干渉を避けるために、交互に駆動させ、第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力することを特徴とする。
このような金属状態検出方法によれば、金属の状態を高精度に検出することができる。すなわち、上記のような発振回路から出力される発振波においては、金属の状態（透磁率変化など）が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、金属の状態に応じて変化する位相ズレを高精度に検出できる。また、発振波の位相ズレを、発振波カウント処理に要した時間として測定するので、安価なデジタル回路を用いて高分解能測定を行うことができる。つまり、本発明における金属状態検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の金属状態検出を行うことができる。また、第一発振回路に係る測定時間（位相ズレ）と第二発振回路に係る測定時間（位相ズレ）との差分を検出するので、温度誤差や変位誤差を容易に排除することができる。また、第一発振回路と第二発振回路は、交互に駆動されるので、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域を、相互干渉を考慮せずに任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。また、第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力するので、応答周期を短縮し、良好な応答性が得られる。つまり、第一発振回路及び第二発振回路の駆動が終了した時点で差分を求めるのではなく、各発振回路の駆動が終了する毎に差分を求めるので、前者に比べて応答周期を約１／２に短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
次に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。ただし、図面に示す波形には、実際の検出波形とシミュレーション波形が含まれる。
【０００７】
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態に係る金属状態検出装置（磁歪式トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。この図に示される金属状態検出装置は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸Ｓ（又は静止軸）のトルクを検出する磁歪式トルクセンサ１であり、第一検出コイルＬ１、第二検出コイルＬ２、第一発振回路２、第二発振回路３及び検出回路４を備えて構成されている。
【０００８】
第一検出コイルＬ１は、軸表面において第一方向（例えば、＋４５°方向）の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する。また、第二検出コイルＬ２は、軸表面において第二方向（例えば、−４５°方向）の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する。
【０００９】
本実施形態の検出コイルＬ１、Ｌ２は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、高透磁率材料を用いて形成されコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されている。具体的には、フェライト、パーマロイ、アモルファスなどの高透磁率材料からなるＵ字コア２ａ、３ａに、コイルを巻装して構成されており、Ｕ字コア２ａ、３ａの両端を軸表面に近接させることにより、軸表面との間で閉磁路を構成するようになっている。これにより、軸表面の限られた領域に第一方向及び第二方向の磁路を形成し、該磁路における透磁率変化を検出することが可能になる。
【００１０】
第一発振回路２は、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルＬ１のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせるように構成される。また、第二発振回路３は、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルＬ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせるように構成される。例えば、シュミット発振回路の帰還回路に検出コイルＬ１、Ｌ２を配置すれば、検出コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレが生じる発振回路２、３を構成することができる。
【００１１】
シュミット発振回路は、シュミットインバータＩＮＶのヒステリシス特性を利用した発振回路であり、シュミットインバータＩＮＶと、シュミットインバータＩＮＶの入力側に接続されるコンデンサＣと、シュミットインバータＩＮＶの出力をシュミットインバータＩＮＶの入力側に帰還させる帰還回路と、この帰還回路に介在する抵抗要素とを備えて構成されている。
【００１２】
初期状態のシュミット発振回路では、コンデンサＣに電荷が溜まっていないため、コンデンサＣの両端の電圧は０Ｖとなっている。このとき、シュミットインバータＩＮＶは、入力側電圧ＶｉｎがＶＬ以下なので、出力がＨレベル（５Ｖ）となる。シュミットインバータＩＮＶの出力側電圧Ｖｏｕｔが５Ｖのときは、帰還回路２ａを介してシュミットインバータＩＮＶの入力側に電流が流れるので、コンデンサＣに電荷が徐々に溜まり、その両端の電圧が上昇する。そして、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧ＶｉｎがＶＨに達すると、シュミットインバータＩＮＶの出力がＬレベル（０Ｖ）に切換わる。シュミットインバータＩＮＶの出力側電圧Ｖｏｕｔが０Ｖになると、コンデンサＣが放電し、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧Ｖｉｎが徐々に降下する。そして、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧ＶｉｎがＶＬまで降下すると、シュミットインバータＩＮＶの出力がＨレベルに切換わる。
【００１３】
以上の動作の繰り返しにより、シュミットインバータＩＮＶの出力側から所定周波数の矩形波が得られる。そして、シュミット発振回路の発振周波数ｆ（＝１／Ｔ）は、蓄電期間ＴＨと放電期間ＴＬにより決まり、蓄電期間ＴＨと放電期間ＴＬは、コンデンサＣ及び抵抗要素の定数により決まる。したがって、抵抗要素として帰還回路に検出コイルＬ１、Ｌ２を配置すれば、検出コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンス変化に応じてシュミット発振回路の発振波に位相ズレを生じさせることができる。
【００１４】
なお、本発明の発振回路がシュミット発振回路に限定されないことは勿論であり、検出コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる発振回路であれば、ＣＲ発振回路、ＬＣ発振回路、水晶発振回路などを用いてもよい。
【００１５】
検出回路４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどが内蔵されたマイコン（１チップマイコン）を用いて構成され、ＲＯＭに書き込まれたプログラムに従って後述するトルク検出処理を行う。なお、検出回路４は、複数のマイコンで構成したり、一又は複数のＩＣで構成することもできる。
【００１６】
検出回路４は、第一発振回路２から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段（第一位相ズレ検出手段）と、第二発振回路３から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段（第二位相ズレ検出手段）と、第一方向の透磁率と第二方向の透磁率との差分にもとづいて、回転軸Ｓのトルクを検出するトルク検出手段（差分検出手段）とを備える。
【００１７】
このようにすると、磁歪式トルクセンサ１のトルク検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一発振回路２や第二発振回路３から出力される発振波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することが可能になる。また、発振回路２、３から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ（透磁率変化）を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路２、３の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路２、３の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
【００１８】
第一発振回路２と第二発振回路３は、相互干渉を避けるために、交互に駆動される。このようにすると、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
【００１９】
また、第一発振回路２と第二発振回路３を交互駆動させるにあたり、検出回路４は、第一発振回路２の駆動終了時及び第二発振回路３の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路２に係る最新の測定時間と第二発振回路３に係る最新の測定時間との差分を求めて出力するように構成される。このようにすると、応答周期を短縮し、良好な応答性が得られる。つまり、第一発振回路２及び第二発振回路３の駆動が終了した時点で差分を求めるのではなく、各発振回路２、３の駆動が終了する毎に差分を求めるので、前者に比べて応答周期を約１／２に短縮することができる。
【００２０】
第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することが好ましい。つまり、本発明の磁歪式トルクセンサ１では、トルクに応じた発振波の位相ズレを、発振波の数だけ蓄積して検出するので、発振波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、ＳＮ比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイルＬ１、Ｌ２側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸Ｓであっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
【００２１】
磁歪式トルクセンサ１でトルクを検出する回転軸Ｓの軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜５であることが好ましい。例えば、回転軸Ｓの一部又は全体の領域に、ニッケル合金からなる磁歪膜５を全周に亘ってメッキする。このようにすると、トルクに応じた磁歪膜５における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の磁歪式トルクセンサ１では、メッキ法により成膜された磁歪膜５であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材（樹脂を含む）を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。
【００２２】
次に、本発明における発振波の位相ズレ蓄積作用について、図２及び図３を参照して説明する。
【００２３】
図２は、発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形始端部を拡大）を示す説明図、図３は、発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形終端部を拡大）を示す説明図である。これらの図に示す波形は、一回の検出処理における発振回路２、３の出力波形であって、発振回路２、３から出力される発振波の数をカウントし、カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを測定するにあたり、発振波カウント処理における発振波のカウント数Ｎを１００とした場合の波形であり、上側の波形は、回転軸Ｓにトルクを加えない場合を示し、下側の波形は、回転軸Ｓにトルクを加えた場合を示している。これらの図から明らかなように、検出波形の始端部、つまり発振波カウント処理における発振波のカウント数Ｎが少ない段階では、位相ズレがあまり蓄積されていないため、その差が明確ではないが（図２参照）、カウント数Ｎが多くなると、発振波の位相ズレが蓄積され、その差が明確になるので、位相ズレの測定が容易になることがわかる（図３参照）。そして、発振波の位相ズレは、回転軸Ｓに作用するトルクに比例して大きくなるので、発振波の位相ズレにもとづいて、回転軸Ｓに作用するトルクを高精度に測定することが可能になる。また、各発振回路２、３から出力される発振波の位相ズレは、磁歪の逆効果にもとづいて背反方向に現れるので、その差分にもとづいて回転軸Ｓのトルク量及びトルク極性を検出できるだけでなく、温度誤差や変位誤差が相殺された検出値を得ることができる。
【００２４】
次に、検出回路４の具体的な検出処理手順について、図４〜図７を参照して説明する。
【００２５】
図４に示すトルク検出処理では、まず、初期設定（Ｓ１１：発振波カウント数Ｎの初期値設定を含む）を行った後、カウント数変更処理（Ｓ１２）を行い、前回の検出方向を判断する（Ｓ１３）。ここで、前回の検出方向が第二方向（又は無し）であると判断した場合は、第一方向透磁率検出処理（Ｓ１４：第一位相ズレ検出手段）を実行し、前回の検出方向が第一方向であると判断した場合は、第二方向透磁率検出処理（Ｓ１５：第二位相ズレ検出手段）を実行する。その後、透磁率検出処理（Ｓ１４、Ｓ１５）で得られた最新の第一方向透磁率検出値（第一発振回路２に係る測定時間）と最新の第二方向透磁率検出値（第二発振回路３に係る測定時間）の差分を演算すると共に（Ｓ１６：差分検出手段）、演算した差分を所定の検出信号形式に変換して出力することにより（Ｓ１７）、一回のトルク検出処理が終了する。
【００２６】
図５に示すカウント数変更処理では、まず、カウント数変更信号の入力を判断し（Ｓ２１）、該判断結果がＹＥＳの場合は、カウント数変更信号に含まれる発振波カウント数Ｎを読み取り（Ｓ２２）、これに従って発振波カウント数Ｎを変更する（Ｓ２３）。
【００２７】
図６に示す第一方向透磁率検出処理では、第一発振回路２の駆動を開始した後（Ｓ３１）、カウンタクリア処理（Ｓ３２）と、発振波カウント処理（Ｓ３３、Ｓ３４）と、時間測定処理（Ｓ３５）を実行し、その後に第一発振回路２の駆動を停止させる（Ｓ３６）。カウンタクリア処理は、発振波カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である（Ｓ３２）。また、発振波カウント処理は、第一発振回路２から出力される発振波の数をカウントし（Ｓ３３）、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する処理である（Ｓ３４）。また、時間測定処理は、発振波のカウント数がＮになったら、時間計測カウンタ値（第一方向透磁率検出値）を読み込む処理である（Ｓ３５）。
【００２８】
図７に示す第二方向透磁率検出処理では、第二発振回路３の駆動を開始した後（Ｓ４１）、カウンタクリア処理（Ｓ４２）と、発振波カウント処理（Ｓ４３、Ｓ４４）と、時間測定処理（Ｓ４５）を実行し、その後に第二発振回路３の駆動を停止させる（Ｓ４６）。カウンタクリア処理は、発振波カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である（Ｓ４２）。また、発振波カウント処理は、第二発振回路３から出力される発振波の数をカウントし（Ｓ４３）、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する処理である（Ｓ４４）。また、時間測定処理は、発振波のカウント数がＮになったら、時間計測カウンタ値（第二方向透磁率検出値）を読み込む処理である（Ｓ４５）。
【００２９】
図８は、比較例（Ａ）と本実施例（Ｂ）の応答周期を示している。つまり、第一発振回路２と第二発振回路３を交互駆動させるにあたり、第一発振回路２の駆動終了時及び第二発振回路３の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路２に係る最新の測定時間と第二発振回路３に係る最新の測定時間との差分を求めて出力する本実施例の応答周期は、第一発振回路２及び第二発振回路３の駆動が終了した時点で差分を求めて出力する比較例の応答周期に比べ、約１／２に短縮されていることがわかる。なお、一方の発振回路の駆動停止に伴う差分処理開始時に、他方の発振回路の駆動を開始し、差分処理と他方の発振回路に係る位相ズレ検出処理とを並列的に行うようにしてもよい。このようにすると、応答周期をさらに短縮することが可能になる。
【００３０】
叙述の如く構成された本実施形態によれば、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸Ｓのトルクを検出する磁歪式トルクセンサ１であって、軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第一検出コイルＬ１と、軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第二検出コイルＬ２と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルＬ１のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路２と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルＬ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路３と、第一発振回路２から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第一方向の透磁率変化を検出し、第二発振回路３から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第二方向の透磁率変化を検出し、第一方向の透磁率と第二方向の透磁率との差分にもとづいて、回転軸Ｓのトルクを検出する検出回路４とを備えるので、トルク検出精度を向上させることができる。
【００３１】
つまり、上記のように構成された第一発振回路２や第二発振回路３から出力される発振波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することが可能になる。また、発振回路２、３から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ（透磁率変化）を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路２、３の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路２、３の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
【００３２】
また、第一発振回路２と第二発振回路３は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されるので、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
【００３３】
また、第一発振回路２と第二発振回路３を交互駆動させるにあたり、検出回路４は、第一発振回路２の駆動終了時及び第二発振回路３の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路２に係る最新の測定時間と第二発振回路３に係る最新の測定時間との差分を求めて出力するので、応答周期を短縮し、良好な応答性が得られる。つまり、第一発振回路２及び第二発振回路３の駆動が終了した時点で差分を求めるのではなく、各発振回路２、３の駆動が終了する毎に差分を求めるので、前者に比べて応答周期を約１／２に短縮することができる。
【００３４】
［第二実施形態］
つぎに、本発明の第二実施形態に係る金属状態検出装置（磁歪式トルクセンサ）について、図９〜図１１を参照して説明する。ただし、第一実施形態と共通の部分については、第一実施形態と同一符号を付し、第一実施形態の説明を援用する。
【００３５】
図９に示すように、第二実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１１は、各発振回路２、３がそれぞれ複数の検出コイルＬ１、Ｌ２を備える点が第一実施形態と相違している。具体的に説明すると、第一発振回路２は、直列（又は並列）に接続された複数（例えば、４つ）の第一検出コイルＬ１を備え、第二発振回路３は、直列（又は並列）に接続された複数（例えば、４つ）の第二検出コイルＬ２を備える。このようにすると、第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２を、軸表面にそれぞれ複数配置することにより、軸表面に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルＬ１、Ｌ２と軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。
【００３６】
図１０及び図１１に示すように、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２は、回転軸Ｓの同一円周上に並ぶように配置することが好ましい。このようにすると、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルＬ１、Ｌ２と軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるのだけでなく、軸方向に存在する温度勾配の影響を最小化し、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。なお、複数の第一検出コイルＬ１及び複数の第二検出コイルＬ２は、環状のボビンＢで所定の位置に保持される。ボビンＢは、一体型でも良いし、分割型であっても良い。
【００３７】
複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２を、回転軸Ｓの同一円周上に並ぶように配置する場合、図９に示すように、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とが交互になるような配置構成とすることができる。このようにすると、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とのズレに起因する誤差の発生を抑制できるだけでなく、この誤差を回転軸Ｓの回転にもとづいて排除することができる。
【００３８】
また、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２を、回転軸Ｓの同一円周上に並ぶように配置する場合、図１０に示すように、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とが重なるような配置構成としてもよい。例えば、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２の高さ寸法を相違させ、平面視で交差するように配置する。このようにすると、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とのズレに起因する誤差の発生を防止することができる。
【００３９】
［第三実施形態］
つぎに、本発明の第三実施形態に係る金属状態検出装置（引張・圧縮応力センサ）について、図１２を参照して説明する。ただし、第一実施形態と共通の部分については、第一実施形態と同一符号を付し、第一実施形態の説明を援用する。
【００４０】
図１２に示される引張・圧縮応力センサ２１は、第一実施形態の磁歪式トルクセンサ１と略同じ構成であるが、第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２の配置方向が第二実施形態の磁歪式トルクセンサ１と相違している。具体的に説明すると、引張・圧縮応力センサ２１は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して静止軸Ｓの引張応力及び圧縮応力を検出する金属状態検出装置であって、第一検出コイルＬ１は、軸表面において軸方向の透磁率変化を検出するように配置され、第二検出コイルＬ２は、軸表面において周方向の透磁率変化を検出するように配置されている。つまり、軸方向の透磁率は、引張応力及び圧縮応力に応じて背反的に変化するため、第一検出コイルＬ１によって引張応力及び圧縮応力を良好に検出することができる。また、周方向の透磁率は、引張応力及び圧縮応力に応じて殆ど変化しないため、第二検出コイルＬ２によって温度変化を検出し、第一検出コイル１の温度補償を行うことができる。
【００４１】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されないことは勿論であって、金属の状態を検出する金属状態検出装置や金属状態検出方法であれば、磁歪式トルクセンサや引張・圧縮応力センサに限らず、金属の疲労、損傷、欠陥、材質などの状態検出にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第一実施形態に係る金属状態検出装置（磁歪式トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。
【図２】発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形始端部を拡大）を示す説明図である。
【図３】発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形終端部を拡大）を示す説明図である。
【図４】検出回路におけるトルク検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】検出回路におけるカウント数変更処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】検出回路における第一方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】検出回路における第二方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】（Ａ）は比較例に係るタイミングチャート、（Ｂ）は実施例に係るタイミングチャートである。
【図９】本発明の第二実施形態に係る金属状態検出装置（磁歪式トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。
【図１０】（Ａ）は検出コイルの第一の配置例を示す展開平面図、（Ｂ）は検出コイルの第一の配置例を示す側面図である。
【図１１】（Ａ）は検出コイルの第二の配置例を示す展開平面図、（Ｂ）は検出コイルの第二の配置例を示す側面図である。
【図１２】本発明の第三実施形態に係る金属状態検出装置（引張・圧縮応力センサ）の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４３】
１、１１ 磁歪式トルクセンサ
２ 第一発振回路
３ 第二発振回路
４ 検出回路
Ｌ１ 第一検出コイル
Ｌ２ 第二検出コイル
Ｓ 回転軸
２１ 引張・圧縮応力センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の状態を検出する金属状態検出装置であって、
金属の状態変化に応じてインダクタンスが変化するように配置される第一検出コイル及び第二検出コイルと、
所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、
所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路と、
第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出する第一位相ズレ検出手段と、
第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出する第二位相ズレ検出手段と、
第一発振回路に係る測定時間と第二発振回路に係る測定時間との差分を求めて出力する差分検出手段とを備え、
第一発振回路と第二発振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動され、
差分検出手段は、第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力する
ことを特徴とする金属状態検出装置。
【請求項２】
金属の状態を検出する金属状態検出方法であって、
金属の状態変化に応じてインダクタンスが変化するように配置される第一検出コイル及び第二検出コイルと、
所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、
所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路とが用いられ、
第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、
第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、
第一発振回路に係る測定時間と第二発振回路に係る測定時間との差分を求めて出力するにあたり、
第一発振回路と第二発振回路を、相互干渉を避けるために、交互に駆動させ、
第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力する
ことを特徴とする金属状態検出方法。
【請求項１】
金属の状態を検出する金属状態検出装置であって、
金属の状態変化に応じてインダクタンスが変化するように配置される第一検出コイル及び第二検出コイルと、
所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、
所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路と、
第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出する第一位相ズレ検出手段と、
第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出する第二位相ズレ検出手段と、
第一発振回路に係る測定時間と第二発振回路に係る測定時間との差分を求めて出力する差分検出手段とを備え、
第一発振回路と第二発振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動され、
差分検出手段は、第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力する
ことを特徴とする金属状態検出装置。
【請求項２】
金属の状態を検出する金属状態検出方法であって、
金属の状態変化に応じてインダクタンスが変化するように配置される第一検出コイル及び第二検出コイルと、
所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、
所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路とが用いられ、
第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、
第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、
第一発振回路に係る測定時間と第二発振回路に係る測定時間との差分を求めて出力するにあたり、
第一発振回路と第二発振回路を、相互干渉を避けるために、交互に駆動させ、
第一発振回路の駆動終了時及び第二発振回路の駆動終了時に、それぞれ、第一発振回路に係る最新の測定時間と第二発振回路に係る最新の測定時間との差分を求めて出力する
ことを特徴とする金属状態検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−３１２５７（Ｐ２００９−３１２５７Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８８９２２（Ｐ２００８−８８９２２）
【出願日】平成２０年３月２９日（２００８．３．２９）
【出願人】（５９１１２３２７４）株式会社アヅマシステムズ (31)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２９日（２００８．３．２９）
【出願人】（５９１１２３２７４）株式会社アヅマシステムズ (31)
【Ｆターム（参考）】
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