JP2006349624A - 荷重センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繰り返し使用しても安定した零点復帰性を持って高精度で信頼性高く荷重測定できる量産性に富んだ構造の荷重センサを提供すること。
【解決手段】この荷重センサ１は、矩形板状の本体部２における長手方向の両側面に対して外方から矢印方向に荷重が加えられたときに生じる歪みに応じて磁気特性が変化する一体化形成された磁性材料から成る本体部２と、本体部１にあっての磁気特性の変化を電気的なインダクタンスに変換するために本体部１に穿孔された穴部３に所定数巻回されて非対称性の閉磁路磁気回路部を成すコイル４とを備え、閉磁路磁気回路部において本体部２に加えられた歪みの変化量に応じたインダクタンスの変化を電気信号として検出する構造である。ここでの磁性材料は、還元雰囲気中で焼鈍熱処理した後に無負荷状態の低温加熱処理条件下で圧縮応力による負荷処理が荷重負荷測定方向に施されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として磁性材料の磁気弾性効果を利用して外部から加えられた荷重により変化する磁気特性の変化量に応じたインダクタンスの変化を電気信号として出力する荷重センサ及びその製造方法に関する。

従来、この種の磁気弾性効果を利用した荷重センサとしては、幾つかのタイプのものが開発されているが、その代表例として、荷重が加えられることで歪む本体部と、本体部の歪みに応じて磁気特性が変化する磁性材料からなる磁性部（磁歪部）と、インダクタンスを検出する磁気回路部とを有する構造のもの（特許文献１，特許文献２参照）が挙げられる。

特開平１１−２２３５６５号公報（要約、図１） 特開２００３−３０２２９３号公報（要約、図１）

上述した荷重センサの場合、例えば特許文献１の構造の場合には、インダクタンスを検出するための磁気回路部が開磁路であるため、実効的な透磁率が低下し、磁性材料の本来の透磁率の変化が得られないという基本性能上の欠点がある。

又、特許文献２の構造の場合には、本体部と磁性部との固定構造を工夫して応答性を向上させることにより、開磁路の磁気回路部の欠点を改善してインダクタンスの変化が低下されるのを抑制し、高感度で高精度に荷重測定し得る基本特性の優れたものとなっているが、ここでは本体部と磁性体ヨークとの溶接の仕方にばらつきが生じたり、或いは本体部に対する磁性部（磁性材料）の固定時にめっきの不均一さによるばらつきが生じ易く、こうしたばらつきがあると磁気回路部の安定性が得られず、同一な荷重に対して出力値の変動が生じてしまうことがあり、その結果としてセンサの基本機能として応力が負荷されて無負荷状態に戻った際、初期の無負荷時のインダクタンスに復帰する零点復帰が安定して得られなくなってしまうという問題がある他、溶接工程や本体部へのめっき工程等の工程数が多くて煩雑になるため、製造時の量産性が優れないという問題もある。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、繰り返し使用しても安定した零点復帰性を持って高精度で信頼性高く荷重測定できる量産性に富んだ構造の荷重センサ、及びそれを容易に量産性良く製造し得る製造方法を提供することにある。

本発明によれば、荷重が加えられることで歪みに応じて磁気特性が変化する磁性材料から成る本体部と、本体部にあっての磁気特性の変化を電気的なインダクタンスに変換するために該本体部に巻回されて磁路磁気回路部を成すコイルとを備え、該磁路磁気回路部において該本体部に加えられた該歪みの変化量に応じた該インダクタンスの変化を電気信号として検出する荷重センサが得られる。

又、本発明によれば、上記荷重センサにおいて、磁性材料は、還元雰囲気中で焼鈍熱処理した後に低温加熱処理条件下で一方向若しくは複数方向から少なくとも１回以上の圧縮応力による負荷処理が荷重負荷測定方向に施された荷重センサが得られる。

更に、本発明によれば、上記何れかの荷重センサにおいて、磁性材料は、主成分組成がＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ系磁性合金から成る荷重センサが得られる。この荷重センサにおいて、磁性材料は、主成分組成にあってのＣの含有量が０．０３重量％以下（但し、０は含まず）であることは好ましい。

加えて、本発明によれば、上記何れかの荷重センサにおいて、磁性材料は、添加元素としてＣｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏのうちの１種以上を含有して成る荷重センサが得られる。

一方、本発明によれば、主成分組成がＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ系磁性合金から成る磁性材料を還元雰囲気中で焼鈍熱処理する材料熱処理工程と、焼鈍熱処理された磁性材料に対して低温加熱処理条件下で一方向若しくは複数方向から少なくとも１回以上の圧縮応力を荷重負荷測定方向に負荷処理させて荷重が加えられることで歪みに応じて磁気特性が変化する特性を持たせる材料負荷処理工程と、負荷処理を経た磁性材料を所定の形状の本体部として一体化形成する本体部形成工程と、本体部に穿孔加工して穴部を形成する穿孔工程と、本体部にあっての磁気特性の変化を電気的なインダクタンスに変換するために穴部にコイルを所定数巻回して非対称性の閉磁路磁気回路部を成すことにより、該閉磁路磁気回路部において該本体部に加えられた該歪みの変化量に応じた該インダクタンスの変化を電気信号として検出する荷重センサを作製するコイル巻回工程とを有する荷重センサの製造方法が得られる。この荷重センサの製造方法において、材料熱処理工程では、主成分組成にあってのＣの含有量を０．０３重量％以下（但し、０は含まず）とすること、更に磁性材料に添加元素としてＣｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏのうちの１種以上を含有させることは、それぞれ好ましい。

本発明の荷重センサの場合、磁性材料による本体部にコイルを巻回して磁路磁気回路部を構成し、係る磁路磁気回路部において本体部に加えられた歪みの変化量に応じたインダクタンスの変化を電気信号として検出する簡易な構造としているので、センサ機能である逆磁歪効果を利用した同一荷重値に対する出力値の変動が大きく改善され、繰り返し使用しても安定した零点復帰性を持って高精度で信頼性高く荷重測定できる量産性に富んだ構造となる。又、荷重センサの製造方法では、予め磁性材料については熱処理してから荷重負荷測定方向に圧縮応力を負荷処理させて（荷重が加えられることで歪みに応じて磁気特性が変化する特性を持たせたものを）本体部として一体化形成するため、係る荷重センサを容易に量産性良く製造できるようになる。

図１は、本発明の最良の形態に係る荷重センサ１の基本構成を示した斜視図である。この荷重センサ１は、矩形板状の本体部２における長手方向の両側面に対して外方から矢印で示す方向に荷重が加えられたときに生じる歪みに応じて磁気特性が変化する一体化形成された磁性材料から成る本体部２と、本体部１にあっての磁気特性の変化を電気的なインダクタンスに変換するために本体部１に穿孔された穴部３に所定数巻回されて非対称性の閉磁路磁気回路部を成すコイル４とを備え、閉磁路磁気回路部において本体部２に加えられた歪みの変化量に応じたインダクタンスの変化を電気信号として検出するものである。

但し、ここでの磁性材料は、センサ機能である逆磁歪効果を利用した同一荷重値に対する出力値の変動を改善させるため、還元雰囲気中で焼鈍熱処理した後に低温加熱処理条件下で一方向若しくは複数方向から少なくとも１回以上の圧縮応力による負荷処理が荷重負荷測定方向に施されたものであることが好ましい。磁性材料を還元雰囲気中で所定の温度により焼鈍熱処理すれば、実効的な透磁率が得られる大きさの結晶粒径まで成長させることができ、その後に無負荷状態で所定の低温度を加えながら磁性材料に対して所定の圧縮応力を荷重負荷測定方向に負荷処理させれば、歪みを一定方向に整合させることが可能となる。このとき、所定の圧縮応力は２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上として少なくとも１回以上、負荷処理を実施することが望ましい。又、磁性材料は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ系磁性合金から成るものであれば、実効的な透磁率が得られるために好ましい。更に、磁性材料は、主成分組成にあってのＣの含有量が０．０３重量％以下（但し、０は含まず）であれば、実効的な透磁率が得られるために好ましい。尚、ここでＣの含有量を０．０３重量％以下（Ｏは含まず）と限定した理由は、０．０３重量％を超えると、磁化の回転や磁壁移動を妨げて透磁率が劣化しまうためである。即ち、Ｃの含有量を制限することにより、磁化の回転や磁壁移動をスムーズに起こさせて実効的な透磁率を得ることができる。加えて、磁性材料は、添加元素としてＣｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏのうち１種以上を含有すれば、より安定して実効的な透磁率が得られるために好ましい。

このような荷重センサ１を製造する場合、主成分組成がＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ系磁性合金から成る磁性材料を還元雰囲気中で焼鈍熱処理する材料熱処理工程と、焼鈍熱処理された磁性材料に対して低温加熱処理条件下で一方向若しくは複数方向から少なくとも１回以上の圧縮応力を荷重負荷測定方向に負荷処理させて荷重が加えられることで歪みに応じて磁気特性が変化する特性を持たせる材料負荷処理工程と、負荷処理を経た磁性材料を所定の形状の本体部２として一体化形成する本体部形成工程と、本体部２に穿孔加工して穴部３を形成する穿孔工程と、本体部２にあっての磁気特性の変化を電気的なインダクタンスに変換するために穴部３にコイル４を所定数巻回して非対称性の閉磁路磁気回路部を成すことにより、閉磁路磁気回路部において本体部２に加えられた歪みの変化量に応じたインダクタンスの変化を電気信号として検出する荷重センサ１を作製するコイル巻回工程とを実行すれば良い。但し、係る荷重センサ１の製造方法では、材料熱処理工程で主成分組成にあってのＣの含有量を０．０３重量％以下（但し、０は含まず）とし、更に磁性材料に添加元素としてＣｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏのうちの１種以上を含有させれば良いものである。

以下は、幾つかの実施例及び比較例を挙げ、本発明の荷重センサについて、その製造工程を含めて具体的に説明する。

実施例１では、先ず材料熱処理工程として、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃ，Ｆｅをそれぞれ２．９重量％，０．５重量％，０．０１重量％，残部重量％のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ系磁性合金から成る磁性材料を水素還元雰囲気中、１１５０℃の温度条件下で２時間焼鈍熱処理し、次に材料負荷処理工程として、焼鈍熱処理された磁性材料に対して１５０℃の低温加熱処理条件下で４時間、６００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧縮応力を荷重負荷測定方向に沿って１回負荷処理することにより、荷重が加えられることで歪みに応じて磁気特性が変化する特性を持たせた。

引き続き、本体部形成工程として、負荷処理を経た磁性材料を矩形板形状の本体部２として一体化形成した後、穿孔工程として、本体部２に穿孔加工して穴部３を形成した。

更に、コイル巻回工程として、本体部２にあっての磁気特性の変化を電気的なインダクタンスに変換するために穴部３に直径０．１４ｍｍの銅線によるコイル４を１５０回巻線（巻回）して非対称性の閉磁路磁気回路部を成し、閉磁路磁気回路部において本体部２に加えられた歪みの変化量に応じたインダクタンスの変化を電気信号として検出する実施例１に係る荷重センサ１を作製した。

比較例１

比較例１では、上述した実施例１に係る荷重センサの製造工程において、材料負荷処理工程を実施しない以外は実施例１に開示した同様な工程手順に従って比較例１に係る荷重センサ１を作製した。

そこで、実施例１に係る荷重センサにおける荷重印加時の印加荷重（ｋｇｆ／ｃｍ^２）の変化に対するインダクタンス（μＨ）の変化及びインダクタンス変化率（％）の関係を調べたところ、図２に示すような結果となった。同様に、比較例１に係る荷重センサについても、荷重印加時の印加荷重（ｋｇｆ／ｃｍ^２）の変化に対するインダクタンス（μＨ）の変化及びインダクタンス変化率（％）の関係を調べたところ、図３に示すような結果となった。但し、何れの荷重センサについても、インダクタンス測定時には、周波数２０ｋＨｚの交流電源電圧ＡＣ１Ｖの電気信号を印加し、１５０℃の低温加熱処理条件下で測定を行った。

図２に示される実施例１に係る荷重センサにおける荷重−インダクタンス特性の測定結果からは、出力インダクタンス値の大きさ、並びに出力インダクタンス値の変化率（即ち、感度）の何れにおいても、図３に示される比較例１に係る荷重センサ（磁気材料の荷重負荷測定方向に圧縮応力の負荷処理を行わなかったもの）における荷重−インダクタンス特性の測定結果と比べると低下している（印加加重が小さい範囲で大きくなっている）が、荷重印加後に除荷した無負荷時の出力インダククンス値は、比較例１の場合には大きく変動して問題となるのに対し、実施例１の場合には測定荷重印加範囲０〜４００（ｋｇｆ／ｃｍ^２）で初期の無負荷時の出力のインダククンス値に回帰しており、安定した零点復帰性を持って高精度で信頼性高く荷重測定できることが判る。

因みに、比較例１の場合、その荷重−インダククンス特性の測定結果からは、印加荷重２５〜１００（ｋｇｆ／ｃｍ^２）の応力荷重を負荷させてその応力荷重を取去ったとき（除荷時）、初期の無負荷時の出力インダクタンスには戻らずにインダクタンスが低下しており、且つ印加荷重１５０ｋｇｆ／ｃｍ^２より大きな応力荷重を負荷させてその応力荷重を取去ったとき（除荷時）、安定して初期の無負荷時の出力インダクタンスに戻っていることが判る。

以上の結果は、定性的な考察事項として、比較例１の荷重センサの場合、磁性材料の透磁率をできるだけ高めて出力インダクタンス値を高くしているため、荷重を負荷することにより透磁率が低下する要因が作動すれば、出力インダクタンスの値は大きく低下してしまうが、実施例１の荷重センサの場合、磁気材料の荷重負荷測定方向に圧縮応力の負荷処理を行っているために出力インダクタンスの感度が緩和され、荷重が変動しても出力インダクタンスの値の変動が少なくなるためであると説明することができる。

実施例２では、材料熱処理工程として、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃ，Ｃｒ，Ｆｅをそれぞれ２．９重量％，０．５重量％，０．００５重量％，１．０重量％，残部重量％のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ系磁性合金（添加元素Ｃｒを含有する）から成る磁性材料を用いた以外は、実施例１に開示した同様な工程手順に従って実施例２に係る荷重センサ１を作製した。

そこで、実施例２に係る荷重センサにおける荷重印加時の印加荷重（ｋｇｆ／ｃｍ^２）の変化に対するインダクタンス（μＨ）の変化及びインダクタンス変化率（％）の関係を調べたところ、図４に示すような結果となった。

図４に示される実施例２に係る荷重センサにおける荷重−インダクタンス特性の測定結果からは、出力インダクタンス値の大きさ、並びに出力インダクタンス値の変化率（即ち、感度）の何れにおいても、上述した図３に示される比較例１に係る荷重センサ（磁気材料の荷重負荷測定方向に圧縮応力の負荷処理を行わなかったもの）における荷重−インダクタンス特性の測定結果と比べると幾分高くなっている（印加加重の５０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上の測定範囲で大きくなっている）が、荷重印加後に除荷した無負荷時の出力インダククンス値は、比較例１の場合よりは変動が抑制されている。このため、実施例２に係る荷重センサの場合においても、図２に示した実施例１に係る荷重センサの場合とほぼ同様に初期の無負荷時の出力のインダククンス値に回帰し、安定した零点復帰性を持って高精度で信頼性高く荷重測定できることが判る。

尚、実施例２では、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ系磁性合金が添加元素Ｃｒを含有する磁性材料を用いた場合を説明したが、添加元素としてはその他にＷ，Ｔｉ，Ｍｏを用いたり、或いはそれらを混合したものを適量添加させても、図４に示した実施例２に係る荷重−インダクタンス特性の測定結果とほぼ同様な結果が得られることが判った。従って、具体的な実施例の開示による説明は省略するが、磁性材料のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ系磁性合金に添加元素としてＣｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏのうちの１種以上を含有させたものを用いる場合についても、本願発明の技術的範囲に含まれるものである。従って、本願発明の荷重センサ及びその製造方法は、実施例１，２で説明したものに限定されない。

本発明の最良の形態に係る荷重センサの基本構成を示した斜視図である。 本発明の実施例１に係る荷重センサにおける荷重印加時の印加荷重の変化に対するインダクタンスの変化及びインダクタンス変化率の関係を調べた結果を示したものである。 比較例１に係る荷重センサにおける荷重印加時の印加荷重の変化に対するインダクタンスの変化及びインダクタンス変化率の関係を調べた結果を示したものである。 本発明の実施例２に係る荷重センサにおける荷重印加時の印加荷重の変化に対するインダクタンスの変化及びインダクタンス変化率の関係を調べた結果を示したものである。

符号の説明

１ 荷重センサ
２ 本体部
３ 穴部
４ コイル

Claims (8)

1. 荷重が加えられることで歪みに応じて磁気特性が変化する磁性材料から成る本体部と、前記本体部にあっての前記磁気特性の変化を電気的なインダクタンスに変換するために該本体部に巻回されて磁路磁気回路部を成すコイルとを備え、該磁路磁気回路部において該本体部に加えられた該歪みの変化量に応じた該インダクタンスの変化を電気信号として検出することを特徴とする荷重センサ。
2. 請求項１記載の荷重センサにおいて、前記磁性材料は、還元雰囲気中で焼鈍熱処理した後に低温加熱処理条件下で一方向若しくは複数方向から少なくとも１回以上の圧縮応力による負荷処理が荷重負荷測定方向に施されたものであることを特徴とする荷重センサ。
3. 請求項１又は２記載の荷重センサにおいて、前記磁性材料は、主成分組成がＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ系磁性合金から成ることを特徴とする荷重センサ。
4. 請求項３記載の荷重センサにおいて、前記磁性材料は、前記主成分組成にあっての前記Ｃの含有量が０．０３重量％以下（但し、０は含まず）であることを特徴とする荷重センサ。
5. 請求項３又は４記載の荷重センサにおいて、前記磁性材料は、添加元素としてＣｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏのうちの１種以上を含有して成ることを特徴とする荷重センサ。
6. 主成分組成がＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ系磁性合金から成る磁性材料を還元雰囲気中で焼鈍熱処理する材料熱処理工程と、前記焼鈍熱処理された前記磁性材料に対して低温加熱処理条件下で一方向若しくは複数方向から少なくとも１回以上の圧縮応力を荷重負荷測定方向に負荷処理させて荷重が加えられることで歪みに応じて磁気特性が変化する特性を持たせる材料負荷処理工程と、前記負荷処理を経た前記磁性材料を所定の形状の本体部として一体化形成する本体部形成工程と、前記本体部に穿孔加工して穴部を形成する穿孔工程と、前記本体部にあっての前記磁気特性の変化を電気的なインダクタンスに変換するために前記穴部にコイルを所定数巻回して非対称性の閉磁路磁気回路部を成すことにより、該閉磁路磁気回路部において該本体部に加えられた該歪みの変化量に応じた該インダクタンスの変化を電気信号として検出する荷重センサを作製するコイル巻回工程とを有することを特徴とする荷重センサの製造方法。
7. 請求項６記載の荷重センサの製造方法において、前記材料熱処理工程では、前記主成分組成にあっての前記Ｃの含有量を０．０３重量％以下（但し、０は含まず）とすることを特徴とする荷重センサの製造方法。
8. 請求項６又は７記載の荷重センサの製造方法において、前記材料熱処理工程では、前記磁性材料に添加元素としてＣｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏのうちの１種以上を含有させたことを特徴とする荷重センサの製造方法。
   

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