JP2002542477A - 磁気弾性ロードセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ロードセルに加えられた力を示す出力信号を与える磁気弾性ロードセルは、上面および下面を持ち、中央ハブと、環状リムと、少なくとも２つのほぼ螺旋形状のスポークを形成するために上面と下面との間に形成されて上面と下面との間に延び、それぞれハブでの出発点からリムでの終端との間でほぼ３６０度旋回する少なくとも２つのスロットとを有する、磁気弾性活性強磁性磁気ひずみディスク状部材を有する。スポークは、１つの周方向に磁気的に分極され、スポーク内の磁化を、ロードセルに力が加えられた後、加えられた力がゼロに減少したときに１つの周方向に戻すのに十分な磁気異方性を持っている。加えられた力に応じて部材に生じた磁界の大きさを検出する磁場センサ手段が、部材に近接して搭載されている。部材は、局所磁化分布の少なくとも５０％が１つの周方向周りに対称に配置された四分円内にあり、かつ、部材から生じる磁界が、その部材の近傍の領域を磁化しないように、力を検出するために磁場センサが検出した正味の磁界の有効性を無効にするのに十分な強度の寄生磁界を生じさせるような十分に高い保磁度を有する、多結晶材料で形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 関連出願への相互言及 この出願は、１９９９年４月１６日に出願された米国仮出願番号６０／１２９
，６１４号に優先することを主張する。

【０００２】 発明の分野 本発明は、ロードセル、特に、加えられた力を測定するのに用いられる非接触
磁気弾性ロードセルに関する。

【０００３】 発明の背景 歪みゲージロードセルは、力を測定する一般的な手段の一つである。それは、
与えられる力に、変形を伴って反応する正確に機械化された構造をしている。変
形可能な要素に接着された歪みゲージは、変形の度合に応じて、抵抗値に変化を
示し、その結果として、加えられた力の大きさを示す電気信号が生じる。しかし
ながら、歪みゲージはロードセルに直接付けられるので、測定電子回路に対する
ロードセルの回転が不可能となる。スリップリングや何かしらの分離した電子回
路が利用できなければ、歪みゲージロードセルで、回転する軸上の軸方向の負荷
を測定するのは不可能である。さらに、歪みゲージは非常に高価で、それゆえ、
多くのロードセルの応用に競合する用途としては、商業的に実用的ではない。

【０００４】 螺旋ばねの軸の曲がりにより、ばね材料にねじれた歪みが生じるのはよく知ら
れている。このような理由で、磁気弾性的に活性な鉄鋼で製造され、コイルを形
成するワイヤの軸の周りに磁化されたソレノイドコイルばねに軸方向の負荷がか
けられた場合、コイルのワイヤはねじれ、その結果、ワイヤの磁化が再配向し、
磁化方向の負荷が増大するとともに、磁化はますますらせん状になる。結果とし
て、らせん磁化は周成分と軸成分、すなわちコイルのワイヤに平行な方向の成分
の両方を持つ。磁化の軸成分は、磁場をコイルばねの軸に平行な方向に広がるよ
うに発生させる。この磁場は検出することができ、軸方向の負荷の大きさに理想
的に比例する電気信号が発生する。しかしながら、まっすぐなワイヤをコイルば
ねに形成する工程のため、内部残留応力がコイル内に生じる。その応力は、磁場
を発生させ、磁場センサによって測定される磁場に含まれてしまう。結果として
、発生した電気信号は、加えられた軸方向の負荷の関数だけではなく、製造工程
で発生する内部残留ストレスの寄与も反映する。したがって、そのようなソレノ
イドコイルばねは本質的に正確で再現性のある結果をもたらさず、ロードセルに
おけるように、軸の負荷を測定するには良い選択ではない。

【０００５】 発明の概要 したがって、本発明の目的は、回転軸に対する軸荷重の計測を許容し、そして
加えられた負荷に正確に相関した出力信号を与える磁気弾性ロードセルを提供す
ることである。

【０００６】 本発明の他の目的は、加えられた負荷がゼロに減少されるとき、磁化を予め確
立された円周方向に戻すための異方性の一次供給源として、シャフト自体の磁気
結晶の異方性に依存する磁気弾性ロードセルを提供することである。

【０００７】 発明の更に他の目的は、そのオペレーションに対して、測定される、加えられ
た負荷がゼロのとき本来的にゼロとなる高精度の検出により、計測される負荷に
相関関係のある方法で両方向に変化する磁気弾性ロードセルを提供することであ
る。

【０００８】 発明の更に他の目的は、オペレーションのために外部に存在する磁界を要さず
、存在する電流もコイルも要しない磁気弾性ロードセルを提供することである。

【０００９】 発明の更なる目的は、磁気弾性的に活性な強磁性で磁気ひずみ性を有し、力が
印加されるディスク状の部材であって、上面および下面を持ち、中心ハブおよび
環状リムを有し、その部材の上面と下面との間に少なくとも２つの螺旋状スポー
クを形成する少なくとも２つのスリットが形成され、各スポークは、ハブでの始
点とリムでの終端との間でほぼ３６０°回転し、スポークは１つの周方向に磁気
的に分極されており、表面に力が加わった後、その力がゼロまで減少したときに
、１つの周方向にスポークを再び磁化させるための十分な磁気異方性を持つ部材
を用意し、表面に力を加えた結果としてその部材から磁界を発生させ、表面に加
えられた力の大きさの表示として、磁気弾性活性領域に近接した位置における磁
界の大きさを検出し、磁気弾性活性領域が、局所磁化分布の少なくとも５０％が
前記１つの周方向周り対称的に配置された９０°の四分円内にある多結晶材料で
形成され、かつ、磁気弾性活性領域から生じる磁界が、磁気弾性活性領域の近傍
の前記部材を磁化しないように、力を検出するために前記磁場センサ手段が検出
した正味の磁界の有効性を無効にするのに十分な郷土の寄生磁界を生じさせるよ
うな十分に高い保磁力であるステップを有する、表面に印加された力を測定する
ための非接触の方法を提供することである。

【００１０】 これらの目的およびその他は、上面と下面とを持ち中央ハブおよび環状リムを
有する強磁性磁気ひずみディスク状部材であって、リムとハブとの間に、上面と
下面との間に延びる少なくとも２つのほぼ螺旋状のスポークを形成する少なくと
も２つのスロットを有する部材を含む磁気弾性活性領域を有している。

【００１１】 各スポークはそれぞれ、ハブでの始点と、リムでの終端との間を、ほぼ３６０
°に渡って旋回しており、スポークは、１つの周方向に磁気的に分極されており
、上述の領域に力が加わった後、その力がゼロまで減少したときに、１つの周方
向にスポークを再び磁化させるための十分な磁気異方性を有している。フラック
スゲートインダクタのような磁場センサがその部材の近傍に搭載されており、上
述の領域に力を加えた結果生ずる活性領域に反応する。部材は、好ましくは、局
所磁化分布の少なくとも５０％が、１つの周方向に対称的に配置された９０°の
四分円内にある多結晶物質で形成されており、部材から生じる磁界が、部材の近
傍の領域を磁化しないように、磁界センサによって検出された正味磁界の、力の
検出のための有効性を無効にする十分な強さとなる寄生磁界が生じさせるような
十分な高さ、最も好ましくは３５Ｏｅを越える高さの保磁力を有している。

【００１２】 好ましい実施形態の詳細な説明 最初に図１および２を参照すると、本発明による磁気弾性ロードセルが１０で
示されている。ロードセル１０は、中心のハブ１４と環状のリム１６とを有する
ディスク状の部材１２を有しており、ディスク１２は、中心のハブ１４と環状の
リム１６との間で、その上面２２と下面２４との間に延びる複数のスポーク１８
，２０が形成されるように機械加工され、または他の方法で形成されている。デ
ィスク１２は、磁気的に活性な変換器の要素であり、したがってディスク１２を
形成する材料の選択は非常に重要である。選択された材料は、磁気領域が確実に
存在するように強磁性を有している必要があり、磁化の向きを、加える力に伴う
応力によって変えることができるように磁気ひずみ性を有している必要がある。
特に、ディスク１２は、より詳細に後述するように特に望ましい結晶構造を有す
る材料から形成してもよい。スポーク１８，２０は、何らかの有効な方法によっ
て各スポークのほぼ螺旋状の軸の周りに実質的に完全に周方向に磁気的に分極さ
れている。この有効な方法のいくつかは、米国特許第５，５２０，０５９号明細
書に開示されており、その内容は参照することによって本明細書に取り入れられ
ている。特に有効な磁化方法の１つは、電流パルスをディスク１２を通して、そ
の中心軸２６から外縁へと、途中のスポーク１８，２０を通して流すことを含ん
でいる。図１に示すスポークの数は２つであるが、２つより少なくない幾つのス
ポークを形成してもよいことが分かる。２つを超えるスポークを用いることの不
都合は、機械加工費用が付加的なスポークを形成するのに伴って高くなることで
ある。各スポークは、ハブ１４での始点とリムで１６の終点の間で約３６０°に
亘って回転するように延びている。ディスク１２の上面２２と下面２４の間の厚
さは、各スポークの断面がほぼ正方形になるように選択することが好ましい。し
かしながら、スポークの数、ディスクの厚さ、およびロードセルの特定の利用方
法に応じて、スポークの断面は正方形以外であってもよい。

【００１３】 ロードセルに力を加える前には、スポークの磁化は、少なくとも正味の磁化成
分をスポークの軸方向に持たず、かつ正味の半径方向磁化成分を持たない程度に
実質的に完全に環状である。力をハブ１４の中心に、ディスク１２の軸２６に平
行な方向に加えると、この力は螺旋状のスポーク１８，２０を通って伝えられ、
ねじれ応力をスポーク内に生じさせる。その結果、各スポークの環状の磁化の方
向が変わり、加える力を強くするにつれて、だんだんと螺旋状になる。この螺旋
状の磁化は、スポークの軸の周方向の成分と軸に沿った成分の両方を有している
。この磁化の軸方向成分の結果として、反対の磁極がハブ１４とリム１６に形成
され、これらの磁極から半径方向に向いた磁界が発生する。この磁界の強さはハ
ブ１４の中心に加える力の大きさに比例する。

【００１４】 磁界ベクトルセンサー３０が、磁性を与えられた磁化の向きを静止した周方向
から変えることによってディスク１２の活性領域の周りの空間に発生する、半径
方向の磁界の大きさと極性を検知するように、ディスク１２に対して位置と向き
を決められて設けられている。磁界ベクトルセンサー３０は、加えられた力の大
きさに相関する、ねじれ応力の大きさを反映した信号出力を出力する。本発明の
一実施形態では、磁界ベクトルセンサー３０は集積回路ホール効果センサである
。磁界ベクトルセンサー３０は、ワイヤ３２によって直流電源に接続されており
、また磁界ベクトルセンサーの信号出力は、ディスク１２が組み込まれたシステ
ムの制御回路または監視回路のような受信装置（不図示）に送られる。磁界ベク
トルセンサーの型式、特性、配置、および機能の詳細な記述が、米国特許第５，
３５１，５５５号明細書の６〜９欄、および米国特許第５，５２０，０５９号の
７〜１１欄および２５欄にあり、これらの内容は参照することによって本明細書
に取り入れられている。

【００１５】 本発明によるロードセルと接続して用いるのに最も好ましいのは、中心のハブ
１４からリム１６の間のスポーク１８，２０に半径方向に亘って延びるソレノイ
ドの形状を有するフラックスゲートインダクタである。その幾何学的構成により
、このフラックスゲートインダクタは、そのコアの隅から隅までの磁界に対して
感度を有している。したがって、単に１点で検知されるのではなく、この好まし
いフラックスゲートインダクタによって、スポークの半径方向の全長に沿って、
センサの軸方向に沿って展開される多くの領域での局所モーメントが平均されて
検知される。このセンサの特性によって、発生するねじれ応力に基づいて生じる
磁界が半径方向に不均一であるために他の場合に生じるマイナスの効果が軽減さ
れる。さらに、ロードセルのハブ１４とリム１６は、スポークのために生じるど
のような磁界の不均一さもさらに低減する、磁界の均質化部として機能する。

【００１６】 生成されてハブ１４とリム１６の間に広がる放射状磁界は、図２に示すように
、有利なことに、ハブ１４とリム１６の間の磁界の半径方向成分を測定するため
に、ディスク１２の上方で、ディスクに近接し、軸の周りでハブ１４とリム１６
の間の半径方向中心にある、１つまたは複数のセンサ３０によって、検知可能で
ある。周囲の磁界などのあらゆる低勾配磁界を受け付けなくするために、ディス
ク１２によって生成される発散磁界を検知する複数の磁気センサを用いることが
好ましい。複数のセンサを用いるときは、それらを周辺内に対称に、かつディス
クの周りに等角度で分散して置くことが好ましい。したがって、図２に示すよう
に、２個のセンサをディスクの両側で用いる場合、それらは１８０°離して配置
すべきである。３個のセンサを用いる場合、それらは１２０°離して配置すべき
である。ハブ１４とリム１６の間を流れる磁束のうちのできるだけ多くがセンサ
を通過するために、ディスク１２とセンサ３０の間の磁路がロードセルの作用に
不可欠であることに注目することが肝心である。このため、ロードセル１０を取
り付けるときには、ディスク１２とセンサ３０の間の磁路を迂回する磁束経路が
設けられないように、ハブ１４とリム１６を支持する非強磁性のスペーサととも
に配置しなければならない。

【００１７】 図２に想像線で示すように、リード線３２’を有する、相応する全く同じセン
サ３０’の組を、ディスク１２の反対側に配置することが特に好ましく、その結
果、一方のセンサ３０の組がディスク１２の上方に、他方のセンサ３０’の組が
ディスク１２の下方に配置される。ハブ１４の中心に力が加わるとセンサ３０，
３０’に対するディスク１２の相対的な移動を引き起こし易いので、これは特に
有利な構成である。上方のセンサの組のみ、または下方のセンサの組のみを用い
る場合、ディスク１２と各センサ３０，３０’の間の間隔の変動のために、セン
サからの非線形で放物線状の応答が生じるであろう。しかしながら、上方と下方
の両方のセンサの組を用いる場合、上方の組は下方の組と正反対の曲線を描く応
答を生じさせる。磁界センサの両方の組の出力を合わせることによって、問題で
あった、負荷がかかったディスクのゆがみを排除した、実質的に線形の応答を生
じる。

【００１８】 ディスクのゆがみの影響は、他の方法でも処理できる。例えば、センサ３０が
ディスク１２にそのまま取り付けられる場合、センサは、ディスク１２と同じ大
きさのものに取って代わられ、その結果、センサとディスクの間の間隔が変化し
ない。また別の解決策が図３に示されており、これは、中心ハブ１４とリム１６
がディスクの上面２２の上方に上昇し、センサ３０は、上昇したハブ１４とリム
１６により区画される環状窓３４内に配置される。この構成では、立ち上がった
ハブ１４とリム１６が、磁界を、例えば磁束ゲート誘導子であるようなセンサ３
０の端部に導く。センサ３０が窓３４内にとどまっている限り、ハブとリムの軸
方向の変位は、磁路の導磁度を変化させない。従って、線形システム応答は維持
される。もちろん、磁界センサ３０とディスク１２の間の間隔が、負荷がかかっ
たハブとリムの相対的な変位よりも十分大きいこれらの例では、間隔における小
さな相対的な変化は、センサの応答の線形性に無視できる程度の影響しかもたら
さない。

【００１９】 動的な部分、したがってディスク１２自体が、加えられる力がゼロにまで低減
されたときに、各スポークに（極性を付与する工程中に）定められた周方向への
磁化をスポークに復帰させる、いくつかの異方性磁力源を有していなければなら
ない。ディスク磁気歪みλと主引張応力σを持つ製品が、ロードセルの作用の基
になる磁気弾性の異方性の影響をもたらす。スポークにて成長したトルクと関連
する磁気弾性の異方性に起因して、全てのスポークの磁気残留部分が協同して磁
界の放射方向成分の成長に寄与することを確実にするために、静止状態の異方性
はどこであっても周辺の方向から４５°以上離れるべきでない。言い換えると、
異方性の必要性とは、環状の残留磁気を、周囲に向けられた９０°の四分円内に
閉じこめる必要性を表すものである。局所的な磁化の少なくとも５０％が、環状
の残留磁気の方向の周りに対称に配置された９０°の四分円内にあるとき、十分
な性能が得られる。

【００２０】 異方性の原因の一つは、原子（強磁性の原子）の磁気モーメント（スピン）の
好ましい配列を、結晶構造を特徴づける軸と相関関係にある方向に向ける磁性結
晶にある。静的な異方性が、その主な原因として、例えば、各微結晶が＜１００
＞あるいは＜１１１＞の容易軸を備えた立方対称性（歪んだ立方体、例えば、正
方晶を含む）を有する不規則に配列された多結晶質材料、といった多軸対称性の
格子構造の原子配列が組み合わされた磁性結晶の異方性を有する場合、微結晶の
、静的な周方向の残留磁気の５０％以上が自動的にこの“４５°”の条件を満足
する。鉄および全ての通常の鋼における磁性結晶の異方性がこのような立方対称
性を有することより、鉄および全ての通常の鋼は（単独でこの条件に基づくと）
、全て本発明のロードセルの材料の候補となる。純鉄の異方性の強さは、タング
ステン、および、よりわずかの量ではあるがマンガンは異方性の強さを高めるが
、通常、合金成分により減少する。モリブデン、バナジウム、スズは、比較的少
し下方に変化させ、一方、クロムは、純鉄の異方性から、その異方性を減少させ
るのがわずかに速い。十分な量のＮｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、あるいはＡｌは、異方性を
ゼロ（およびゼロ以下）にすることができる。問題点は、負荷が取り除かれると
磁化をその静的な周方向に戻す「スプリング」により、結晶（磁性結晶に対して
短い）異方性の絶対的な強さが非常に低くなってしまうことにある。したがって
、例えば、結晶異方性（Κ_l）がλσ_rよりも小さい場合、Κ_lは、もはや主たる
異方性はなく、また、静的な残留磁気の５０％以上は、もはや４５°の分布条件
を満足しないであろう。なお、ここで、σ_rは、前工程による軸の残留応力の強
さである。ここでまず第１に気付くのは、変換器の働きにとってそれぞれが重要
な複数の材料特性の、相互関係の重要性である。Κ_lとλは構造的な依存（本質
的な）特性であるのに対し、σ_rおよび他の構造依存特性（例えば、質感、化学
的、あるいは構造処方）は、静的な異方性の強さ、配列、および対称性を決定す
るのに、本質的な特性と呼応するように振る舞う。また、わずかな量のＮｉ、あ
るいはＳｉは効果的にλを高める一方で、Κ_lを減少させる傾向にある。したが
って、ディスク１２に適当な合金の選定には、合金の含有量の度合いに対して慎
重にならねばならない。

【００２１】 本発明のロードセルに適した、知られている材料の種類の例を以下に示す。各
種類の通常のグレードが示されている。 １．マルテンサイトステンレス鋼（好ましくは空気硬化） ＡＩＳＩ／ＳＡＥグレード：４０３，４１０，４１４，４１６，４２０，４３
１，４４０Ａ，４４０Ｂ，４４０Ｃ ２．時効硬化ステンレス鋼（クロムおよびニッケル） ＡＩＳＩ／ＳＡＥグレード：１５−５ＰＨ，１７−４ＰＨ，１７−７ＰＨ，Ｐ
Ｈ１３−８Ｍｏ ３．合金鋼（急冷および焼きなまし、ときには炭化または窒化） ＡＩＳＩ／ＳＡＥグレード：４１４０，４３２０，４３３０，４３４０，４８
２０，９３１０ 代表的呼称：３００Ｍ，Ａｅｒｍｅｔ１００，９８ＢＶ４０，９−４−２０，
９−４−３０ ４．工具鋼（好ましくは急冷および焼きなまし、金属的に“清浄な”高合金鋼） ＡＩＳＩグレード：タイプＡ，Ｄ，Ｈ，Ｌ，Ｍ，Ｏ，Ｔ，Ｗ、および高コバル
ト高速工具鋼 ５．マルエージング鋼（高ニッケル、低炭素） 代表的呼称：１８Ｎｉ２５０，Ｃ−２５０，Ｖａｓｃｏｍａｘ Ｔ−３００，
ＮｉＭａｒｋ，Ｍａｒｖａｃ ７３６ ６．延性永久磁石材料 代表的呼称：Ｖｉｃａｌｌｏｙ，Ｒｅｍｅｎｄｕｒ，Ｃｕｎｉｆｅ，Ｃｕｎｉ
ｃｏ，Ｖａｃｏｚｅｔ ７．磁石鋼 代表的呼称：ＫＳ鋼，ＭＴ鋼，３．６％Ｃｒ，１５％Ｃｏ，タングステン鋼 ８．特殊合金および他の材料 代表的呼称：Ｐｅｒｍｅｎｄｕｒ，Ａｌｆｅｒ，Ａｌｆｅｎｏｌ，Ｋｏｖａｒ
，高引抜ニッケル，高引抜パーマロイ 本ロードセルの動作中は、ディスク１２上の活性領域から磁界が生じ、これら
の磁界は、磁界センサが配置された空間だけでなく、非活性の強磁性材料が近く
に存在しうる空間に広がる。非活性材料内で磁化変化が引き起こされると他の磁
界を生じ、さらに、これらの（寄生）磁界は磁界センサが配置された空間の領域
にも広がる。したがって、活性領域の伝達機能を損なわないために、寄生磁界は
、活性領域の磁界がかなり大きな強度を有しているのであればその磁界と比較し
て非常に小さく、理想上はゼロであり、負荷に応じて線形に、かつ非ヒステリシ
ス的に変化し（または全く変化せず）、さらに、経時や、ロードセルが受けるで
あろういかなる動作状態や環境状態に耐えて安定していることが重要である。上
記のように述べたが、生じる全ての寄生磁界は、磁界センサによって検出された
正味の磁界が力を検出するのに有用である活性領域の磁界に比べて十分に小さく
なければならない。したがって、寄生磁界の効果を損なうことを最小にするため
に、磁気弾性活性領域から生じる磁界が磁気弾性活性領域に隣接する非活性の強
磁性領域を磁化させない、十分に大きな保磁力を有するディスク部材を、力を検
出するための有効性を無効とするのに十分な強度の、磁界検出手段によって検出
される正味の磁界である寄生磁界を生じさせるために利用することが重要である
。これは、ディスク１２の保磁力が１５Ｏｅ（エールステッド）よりも大きく、
好ましくは２０Ｏｅよりも大きく、最も望ましくは３５Ｏｅよりも大きいことを
意味する。

【００２２】 従来技術のひずみゲージのロードセルに比べて、本発明はいくつかの有意義な
利点を提供する。例えば、本発明のロードセルは、ひずみゲージを取り付けて用
いることが求められる熟練労働者に比べて、比較的容易に機械化することができ
る。加えて、ディスク部材によって生成された磁界を検出するのに必要な電気回
路のコストが、ひずみゲージと組み合わされた電気回路よりもかなり低くなる。
さらに、磁気弾性ロードセルは特に安定しており、無負荷状態でのゼロ値の検出
量は、温度、軸周りを回転する負荷が加えられた部材の角度位置、回転速度、お
よび負荷が加えられた部材と検出手段との間の変化しないエアギャップによる影
響を実質的に受けない。その結果、そのようなロードセルは種々の環境中に比較
的容易に据え付けることができ、種々の環境中において信頼性をもって動作する
であろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の磁気弾性ロードセルの平面図である。

【図２】 図１の磁気弾性ロードセルの一例の正面断面図である。

【図３】 図１の磁気弾性ロードセルの他の例の正面断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ， ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，Ｄ Ｅ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ， ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，Ｌ Ｕ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ， ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，Ｕ Ｇ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ 【要約の続き】 る、多結晶材料で形成されている。

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロードセルに加えられた力を示す出力信号を与える磁気弾性
   ロードセルであって、 上面および下面を有するとともに中央ハブおよび環状リムを備えた強磁性で磁
   気ひずみ性を有するディスク状の部材であって、前記ハブと前記リムとの間に、
   前記部材の前記上面と前記下面との間に前記部材を通って延びる少なくとも２つ
   のほぼ螺旋状のスポークを形成する少なくとも２つのスロットを有し、前記各ス
   ポークは前記ハブでの始点と前記リムでの終点との間でほぼ３６０°旋回する部
   材を有する磁気弾性活性領域を有し、 前記スポークは、その軸回りの１つの周方向に磁気的に分極されているととも
   に、前記スポーク内の磁化を、前記ロードセルに力が加えられた後、加えられた
   力がゼロに減少したときに前記１つの周方向に戻すのに十分な磁気異方性を持っ
   ており、 磁場センサ手段であって、前記磁気弾性活性領域に近接して搭載され、前記セ
   ンサ手段での磁界の大きさを検出するように設けられ、それに応じて前記出力信
   号を与える磁場センサ手段を有し、 前記部材は、局所磁化分布の少なくとも５０％が前記１つの周方向周りに対称
   に配置された９０°の四分円内にあり、かつ、前記部材から生じる磁界が、前記
   部材の近傍の領域を磁化しないように、力を検出するために前記磁場センサが検
   出した正味の磁界の有効性を無効にするのに十分な強度の寄生磁界を生させるよ
   うな十分に高い保磁度を有する、多結晶材料で形成されている、磁気弾性ロード
   セル。
2. 【請求項２】 前記部材は、各結晶子が立方対称性を有する多結晶材料で形
   成されている、請求項１に記載の磁気弾性ロードセル。
3. 【請求項３】 前記部材は、マルテンサイトステンレス鋼、クロムおよびニ
   ッケルを含む時効硬化ステンレス鋼、急冷および焼きなまし合金鋼、工具鋼、高
   ニッケルマルエージング鋼、延性永久磁性材料、磁石鋼、パーメンジュール、ア
   ルファ、コバー、硬引抜ニッケル、および硬引抜パーマロイからなる群から選択
   された材料で形成されている、請求項２に記載の磁気弾性ロードセル。
4. 【請求項４】 前記各スポークの断面はほぼ正方形である、請求項１に記載
   の磁気弾性ロードセル。
5. 【請求項５】 前記部材の保磁度は１５Ｏｅよりも大きい、請求項１に記載
   の磁気弾性ロードセル。
6. 【請求項６】 前記部材の保磁度は２０Ｏｅよりも大きい、請求項１に記載
   の磁気弾性ロードセル。
7. 【請求項７】 前記部材の保磁度は３５Ｏｅよりも大きい、請求項１に記載
   の磁気弾性ロードセル。
8. 【請求項８】 前記磁場センサ手段は固体センサを有する、請求項１に記載
   の磁気弾性ロードセル。
9. 【請求項９】 前記磁場センサは、フラックスゲートインダクタを有する、
   請求項１に記載の磁気弾性ロードセル。
10. 【請求項１０】 前記磁場センサは、前記磁界の極性を検出するように前記
    磁気弾性活性領域に向けられて搭載されている、請求項１に記載の磁気弾性ロー
    ドセル。
11. 【請求項１１】 前記磁場センサ手段は、前記磁気弾性活性領域に対応しか
    つ近接した固定位置に搭載されている、請求項１０に記載の磁気弾性ロードセル
    。
12. 【請求項１２】 前記部材の上面および下面のそれぞれはほぼ円形であり、
    前記部材は中心軸線を有し、前記センサ手段は、前記部材の前記ハブと前記環状
    リムとの間の半径方向中央部に設置されている、請求項１０に記載の磁気弾性ロ
    ードセル。
13. 【請求項１３】 前記線さ手段は、前記部材の上面および下面の一方に近接
    した少なくとも２つのセンサを有する、請求項１２に記載の磁気弾性ロードセル
    。
14. 【請求項１４】 前記センサ手段は、前記部材の上面および下面のそれぞれ
    に近接した少なくとも２つのセンサを有する、請求項１３に記載の磁気弾性ロー
    ドセル。
15. 【請求項１５】 前記部材の各面に近接した前記センサは、周方向に対称に
    前記面の周囲に等角に分布して配置されている、請求項１３または１４に記載の
    磁気弾性ロードセル。
16. 【請求項１６】 前記センサ手段は前記部材に応じて搭載されている、請求
    項１に記載の磁気弾性ロードセル。
17. 【請求項１７】 前記ハブおよび前記環状リムは、前記スポークの上面の上
    に持ち上げられて、前記ハブと前記リムとの間に環状の窓を形成しており、前記
    センサ手段は前記窓内に配置されている、請求項１に記載の磁気弾性ロードセル
    。
18. 【請求項１８】 前記スポークは、前記部材に力が加わらないとき、前記ス
    ポークの軸線方向への正味磁化成分を持たない周方向磁気配向を持っている、請
    求項１に記載の磁気弾性ロードセル。
19. 【請求項１９】 前記スポークは、前記部材に力が加わったとき、前記スポ
    ークの周方向の成分および軸線方向の成分を持つ螺旋磁気配向を持っており、前
    記磁場センサ手段は、磁化の前記軸線方向の成分から生じる磁界を検出するよう
    に向けられて配置されている、請求項１８に記載の磁気弾性ロードセル。
20. 【請求項２０】 （ａ）力が加えられる表面を含む磁気弾性活性領域を用意
    するステップであって、前記領域は、上面と下面とを有する強磁気かつ磁気ひず
    み性を有し、かつ中央のハブと環状のリムとを備えたるディスク状の部材を有し
    、前記部材は、前記部材の前記上面と前記下面との間に延びる少なくとも２つの
    ほぼ螺旋形のスポークを形成するための、前記ハブと前記リムとの間を通して形
    成される少なくとも２つのスロットを有し、前記スポークの各々は、前記ハブで
    の始点と前記リムでの終端との間をほぼ３６０°回転し、前記スポークは、その
    軸回りの１つの周方向に磁気的に分極されており、力を前記表面に加えた後、加
    えられた力がゼロに減少したときに前記スポークにおける磁化を前記１つの周方
    向に戻すのに十分な磁気異方性を有しており、前記表面の前記磁気弾性活性領域
    は、局所磁化分布の少なくとも５０％が前記１つの周方向周りに対称的に配置さ
    れた９０°の四分円内にある多結晶材料で形成され、かつ、前記磁気弾性活性領
    域から生じる磁界が、前記磁気弾性活性領域の近傍の前記部材を磁化しないよう
    に、力を検出するために前記磁場センサ手段が検出した正味の磁界の有効性を無
    効にするのに十分な郷土の寄生磁界を生じさせるような十分に高い保磁力である
    ステップと、 （ｂ）前記表面に力を加える結果として磁界を生成するステップと、 （ｃ）前記表面に加えられた力の大きの表示として、前記磁気弾性活性領域に近
    接する位置における磁場の大きさを検出するステップとを有する、力を検出する
    方法。
21. 【請求項２１】 前記表面に力を加えることは、前記磁気弾性活性領域に円
    周方向および軸線方向の磁化成分を有する螺旋形の磁気配向を生じさせ、前記検
    出するステップは、前記軸線方向の磁化成分から発生する磁界を検出するステッ
    プを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 【請求項２２】 前記部材は、各結晶子は立方対称性を有する多結晶材料か
    ら形成される、請求項２１に記載の方法。
23. 【請求項２３】 前記磁気弾性活性領域の保磁力は１５より大きい、請求項
    ２０に記載の方法。
24. 【請求項２４】 前記検出するステップは、前記磁気弾性活性領域に近接か
    つ間隔をあけて磁場センサ装置を少なくとも部分的に位置決めすることにより達
    成される、請求項２０に記載の方法。