JP2005180950A

JP2005180950A - 荷重センサ及びその製造方法

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Publication number: JP2005180950A
Application number: JP2003417903A
Authority: JP
Inventors: Masaru Kagami; 優鏡; Susumu Takeda; 進武田; Morikazu Yamada; 盛一山田; Masaya Kawabe; 雅也川辺; Yoshihiko Saiki; 義彦斎木
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】磁歪効果を利用した構成で、比較的荷重が小さい領域における、高感度かつ高精度の測定が可能な荷重センサと、その製造方法を提供すること。
【解決手段】非磁性の弾性体を、圧縮コイルばね、引張りコイルばね、捩りコイルばね、板ばね、ばね座金、波形座金、皿ばね座金などの形状に成形してなる基材の表面に、磁歪効果を有する材料の層を形成して荷重センサ素子とする。この素子に荷重を加えた際の変形に起因する磁化の変化を、素子に取り付けたコイルにより、インダクタンスの変化として検出する。基材が、小さな荷重でも大きな変形を引き起こす形状であり、比較的小さな荷重を高感度かつ高精度で検出できる。
【選択図】なし

Description

本発明は、磁歪効果を有する材料に荷重が加わった際の、変形に伴う磁化の変化を検出する構成を有する荷重センサ、及びその製造方法に関するものである。

荷重センサには、様々な用途があり、それに対応した形態のものが用いられている。その中で、弾性体に作用する荷重を検出する荷重センサとしては、弾性体の磁歪効果、電気抵抗変化または静電容量変化を利用して、荷重による弾性体の変形を検出するものが知られている。

特許文献１には、変形に伴う材料の磁気特性変化を利用した荷重センサの例が開示されている。特許文献１に開示されている例は、圧延された磁性体の板の積層体と、積層体に巻き回したコイルから構成され、荷重が負荷された際の積層体の磁化特性変化を、コイルに流れる電流の変化で検出するものである。

この例においては、磁性材の板の圧延方向と垂直な方向に荷重を負荷することで、荷重が小さい領域における直線性と、インパルス荷重や偏荷重に対する信頼性を向上できるとしている。

また、特許文献２には、柱状の磁歪素子と、磁歪素子の周囲に設けられたコイルを主な構成要素とする荷重センサが開示されている。この荷重センサは、磁歪素子両端の軸方向に配置した球体と受座を介して、磁歪素子に荷重を負荷することで、磁歪素子に剪断方向の荷重が加わらないようにしたことなどが特徴である。

さらに、本出願人は、磁歪効果を発現する材料の層を、表面に形成したブロックの一面の近傍に、当該面と平行なスリットを設け、巻線を施した荷重センサを、特願２００３−１７１６２４として出願している。図９は、特願２００３−１７１６２４に開示されている、従来の荷重センサの例を示す斜視図である。

図８において、２２は弾性材料の表面に磁歪効果を発現する材料の層を形成したブロック、２３はコイル、２４はリード線である。この荷重センサにおいては、図における上下方向から、ブロック２２に荷重を負荷し、変形に伴う磁化の変化を、コイル２２のインダクタンス変化として検出するものである。

なお、これらの例とは別に、特許文献３には、ばねの一部に巻線を施し、荷重が加わった際のばねのひずみを電気的な出力の変化で、検出する試みが開示されている。

特公昭５２−７７３９号公報特開平１１−３０４６０４号公報特公平７−６８５１号公報

しかしながら、上記の各種荷重センサにおいては、特許文献３に開示された例を除き、ブロック状の素子に荷重を負荷するので、逆磁歪効果を十分に発現するまで変形させるには、一般に大きな荷重を必要とし、結果として比較的大荷重の検出にしか用いられないという問題があった。

また、特許文献３に開示された例では、一般に逆磁歪効果の高い材料は、あまり大きなばね性を有しないので、ばねの材質として、逆磁歪効果があまり高くない材料を選択せざるを得ず、結果的に荷重負荷時の電気的出力変化を十分には発現できないという欠点があった。

そこで、本発明の課題は、同様の構成を有しながら、比較的荷重が小さい領域における、高感度かつ高精度の測定が可能な荷重センサと、その製造方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題解決のため、小さな荷重でも、弾性変形量の大きな形状の基材を用い、かつ、電気的出力を大きくとれる手段を検討した結果なされたものである。

即ち、本発明は、ばね性を有する基材の表面の少なくとも一部に、磁歪効果を有する磁性材料の層が一体に形成されてなる素子と、荷重負荷による前記素子の変形に起因する、前記素子の磁化の変化を検出する手段を有することを特徴とする荷重センサである。

そして、本発明の荷重センサにおいては、前記基材の形状として、圧縮コイルばね、引張りコイルばね、捩りコイルばね、ばね座金、波形座金、皿ばね座金から選ばれる少なくともいずれかを用いることができる。

また、本発明の荷重センサの製造に際しては、前記磁歪効果を有する材料の層を、前記基材の表面の少なくとも一部に形成する方法として、めっき法、物理気相成長法（ＰＶＤ）、化学気相成長法（ＣＶＤ）から選ばれる少なくともいずれかを用いることができる。

本発明による荷重センサにおいては、前記のように、弾性体からなる基材の表面の少なくとも一部に、磁歪効果を有する材料の層（以下、磁歪材料層と記す）を、一体に形成した構造の素子を用いる。従って、素子の製造工程が、比較的簡略なことが、本発明の特徴の一つである。基材に用いる弾性体は、ステンレス鋼（ＪＩＳ材料記号例：ＳＵＳ３０４）などのような非磁性材であることが望ましい。

逆磁歪効果を検出する手段としては、素子の磁歪材料層が形成された部分にコイルを設け、インダクタンス変化の、公知の方法による検出などが挙げられる。このようなの構成とすることで、比較的小さな荷重でも、逆磁歪効果を十分に発現する程度に、素子が変形するので、従来の荷重センサに比較して、はるかに小さな荷重でも、高感度かつ高精度での検出が可能となる。

本発明の荷重センサの基材として用いる弾性体は、前記のように非磁性であることが望ましく、非磁性のステンレス鋼を、代表的な材質として挙げることができる。また、チタン−ニッケル系などの形状記憶合金、超弾性合金も用いることが可能である。

また、基材の形状は、前記のように、圧縮コイルばね、引張りコイルばね、捩りコイルばね、ばね座金、波形座金、皿ばね座金とするが、設計上留意すべきことは、これらの形状では小さな荷重でも変形量が大きいので、最大の変形量を弾性限界の範囲内とすることである。殊に基材に形状記憶合金、超弾性合金を用いる場合は、基材と磁歪材料層の弾性限界に顕著な差異があるので、注意が必要である。

また、磁歪効果を有する材料には、周知のように、磁化により伸張する正の磁歪効果を有するものと、磁化により収縮する負の磁歪効果を有するものがあり、基材の形状などにより適宜選択できる。正の磁歪効果を有するものとしては、ニッケル−鉄合金などが挙げられ、負の磁歪効果を有するものとしては、ニッケルやニッケル−コバルト合金、ニッケル−銅フェライトなどが挙げられる。

磁歪材料層の形成方法は、前記の材質により適宜選択可能で、金属や合金の場合はめっき法などが、フェライトのような酸化物の場合はＣＶＤなどを用いることができる。また、必要に応じ、前記の材質や磁歪材料層の形成方法を適宜組み合わせることで、磁性薄膜を多層構造とすることも可能である。

また、荷重の検出方法は、前記のように素子にコイルを取り付け、逆磁歪効果に起因するインダクタンス変化を検出することで行うが、具体的には、本発明者らが、前記特願２００３−１７１６２４に開示している、ＬＣ発信回路及び周波数／電圧変換回路を用いることができる。

以下に、本発明の実施の形態に関わる、荷重センサの代表的な形態を、図を参照して説明する。

図１は、基材に圧縮コイルばねを用いた荷重センサの例を示す図で、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は底面図である。図１において、１は基材を構成する圧縮コイルばね、２はコイル、３はコイル２のリード線である。この例においては、図における上下方向からの荷重を、圧縮コイルばね１の縮みに起因する、コイル２のインダクタンス変化として検出する。

図２は、圧縮コイルばね１を構成する弾性体の断面図である。図２において、４は弾性体、５は磁歪材料層である。図２に示したように、この例では、弾性体４の周囲全体に磁歪材料層５が一体に形成されている。

図３は、基材に捩りコイルばねを用いた荷重センサの例を示す図で、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は底面図である。図３において、６は基材を構成する捩りコイルばね、７はコイル、８はコイル７のリード線である。この例においては、捩りコイルばね６の端末に対し、捩りコイルばね６を捩るように加わった荷重を、捩りコイルばね６の変形に起因する、コイル７のインダクタンス変化として検出する。

図４は、基材にばね座金を用いた荷重センサの例を示す斜視図である。図４において、１３はばね座金、１４はコイル、１５はコイル１４のリード線である。この例においても、ばね座金１３に対し、図における上下方向から加わった荷重を、ばね座金１３の変形に起因する、コイル１４のインダクタンス変化として検出する。

図５は、基材に波形座金を用いた荷重センサの例を示す斜視図である。図５において、１６は波形座金、１７はコイル、１８はコイル１７のリード線である。この例においても、波形座金１６に対し、図における上下方向から加わった荷重を、波形座金１６の変形に起因する、コイル１７のインダクタンス変化として検出する。

図６は、基材に皿ばね座金を用いた荷重センサの例を示す図で、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）はＡＡ断面図である。図６において、１９は皿ばね座金、２０はコイル、２１はコイル２０のリード線である。この例においても、皿ばね座金１９に対し、図における上下方向から加わった荷重を、皿ばね座金１９の変形に起因する、コイル２０のインダクタンス変化として検出する。

次に、具体的な実施例として、図１に示したような、基材の形状を圧縮コイルばねとした場合について説明する。

ここでは基材として、直径が１ｍｍのＪＩＳ材料記号のＳＵＳ３０４で示される非磁性のステンレス鋼の線材を成形した、圧縮コイルばねを用いた。圧縮コイルばねの形状は、コイルの直径が８ｍｍ、巻数が１５、荷重を加えていない状態の長さが３９ｍｍである。また、ばね定数は１．２Ｎ／ｍｍである。

この圧縮コイルばねの全表面に、めっき法により、厚さが５０μｍの、鉄５０重量％−ニッケル５０重量％の合金からなる、磁歪材料層を形成した。またコイルは、直径が１４０μｍのウレタン絶縁銅線を、３００ターン巻き回すことで取り付けた。

次に、このようにして得た荷重センサについて、荷重と出力インダクタンス値との関係を求めた。測定に用いた電気信号は、電圧が１Ｖで、周波数が５０ｋＨｚの交流である。図７は、加えた荷重と出力インダクタンスの関係を示す図である。

図７に示した結果から明らかなように、本発明による荷重センサは、１０Ｎ以下の荷重でも２０〜３０％の出力インダクタンスの変化が得られ、比較的小さな荷重を、高精度で検出することが可能である。また、本発明による荷重センサは、逆磁歪効果に基づく荷重センサの特長である、特性の温度依存性が小さいという長所も具備するものである。

なお、前記実施例においては、磁歪材料層の形成方法として、めっき法を用いたが、ＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いても、同等の特性を有する荷重センサが得られることを別途確認した。

基材に圧縮コイルばねを用いた荷重センサの例を示す図。図１（ａ）は正面図。図１（ｂ）は底面図。圧縮コイルばねを構成する弾性体の断面図。基材に捩りコイルばねを用いた荷重センサの例を示す図。図３（ａ）は正面図。図３（ｂ）は底面図。基材に板ばねを用いた荷重センサの例を示す斜視図。基材に波形座金を用いた荷重センサの例を示す斜視図。基材に皿ばね座金を用いた荷重センサの例を示す図。図６（ａ）は正面図。図６（ｂ）はＡＡ断面図。加えた荷重と出力インダクタンスの関係を示す図。従来の荷重センサの例を示す斜視図。

符号の説明

１圧縮コイルばね
２，７，１４，１７，２０，２３コイル
３，８，１５，１８，２１，２４リード線
４弾性体
５磁歪材料層
６捩りコイルばね
１３ばね座金
１６波形座金
１９皿ばね座金
２２ブロック

Claims

ばね性を有する基材の表面の少なくとも一部に、磁歪効果を有する材料の層が一体に形成されてなる素子と、荷重負荷による前記素子の変形に起因する、前記素子の磁化の変化を検出する手段を有することを特徴とする荷重センサ。
前記基材の形状は、圧縮コイルばねまたは引張りコイルばねであることを特徴とする、請求項１に記載の荷重センサ。
前記基材の形状は、捩りコイルばねであることを特徴とする、請求項１に記載の荷重センサ。
前記基材の形状は、ばね座金であることを特徴とする、請求項１に記載の荷重センサ。
前記基材の形状は、波形座金であることを特徴とする、請求項１に記載の荷重センサ。
前記基材の形状は、皿ばね座金であることを特徴とする、請求項１に記載の荷重センサ。
ばね性を有する基材の表面の少なくとも一部に、めっき法、物理気相成長法（ＰＶＤ）、化学気相成長法（ＣＶＤ）から選ばれる少なくともいずれかの方法により、磁歪効果を有する材料の層を形成する工程を有することを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の荷重センサの製造方法。