JP2008241614A - 磁歪式応力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度で良好なセンサ特性を有する磁歪式応力センサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】応力検知対象部材１００に接合されかつ磁歪を有する磁性部材１１１（１１２Ａ，１１２Ｂ，１１３）、および、磁性部材１１１に負荷される応力を検知するための応力検知手段１１６，１１８を有し、磁性部材１１１は、引張あるいは圧縮の応力が付与された状態にある。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁歪式応力センサおよびその製造方法に関する。

弾性を有する部材に負荷される応力を検出する方法としては、歪ゲージを貼る方法が一般によく知られている。しかし、自動車等の足回り部材に負荷される応力（引張応力および圧縮応力）をモニターするためには、ロバスト性が要求されるため、歪ゲージによる方法は、問題を有する。

そのため、磁歪の逆効果を利用した応力センサ（磁歪式応力センサ）が、提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ， Ｉｖａｎ Ｊ．，「Ｎｅｗ ｔｙｐｅｓ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｏｅｌａｓｔｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｆｏｒ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ」，「ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ」，Ｎｏ．９１０８５６，「Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ」，１９９１年

しかし、従来の磁歪式応力センサの感度およびセンサ特性は、問題を有する。例えば、高範囲応力において、外力ゼロ付近の感度は低いが、外力が高くなると感度は増し、飽和してくる。また、小振幅において、外力ゼロ付近では感度も低く、ヒステリシスを描き、センサ特性がよくない。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、高感度で良好なセンサ特性を有する磁歪式応力センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
応力検知対象部材に接合されかつ磁歪を有する磁性部材、および、
前記磁性部材に負荷される応力を検知するための応力検知手段を有し、
前記磁性部材は、引張あるいは圧縮の応力が付与された状態にある
ことを特徴とする磁歪式応力センサである。

上記目的を達成するための請求項１４に記載の発明は、
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の磁歪式応力センサの製造方法であって、
前記磁性部材を前記応力検知対象部材に接合する際に、前記磁性部材に応力を付与することで、前記磁性部材を、前記引張あるいは圧縮の応力が付与された状態とすることを特徴とする磁歪式応力センサの製造方法である。

上記目的を達成するための請求項１５に記載の発明は、
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の磁歪式応力センサの製造方法であって、
前記磁性部材を前記応力検知対象部材に接合した後において、前記磁性部材に応力を付与することで、前記磁性部材を、前記引張あるいは圧縮の応力が付与された状態とすることを特徴とする磁歪式応力センサの製造方法である。

請求項１に記載の発明によれば、応力検知対象部材に接合された磁性部材が、引張あるいは圧縮の応力が付与された状態にあるため、応力検知対象部材に対して応力が負荷された場合、磁歪式応力センサは、高感度で良好なセンサ特性を発揮する。つまり、高感度で良好なセンサ特性を有する磁歪式応力センサを提供することが可能である。

請求項１４および請求項１５に記載の発明によれば、応力検知対象部材に接合された磁性部材が、引張あるいは圧縮の応力が付与された状態にある磁歪式応力センサを製造することが可能である。したがって、製造された磁歪式応力センサは、応力検知対象部材に対して応力が負荷された場合、高感度で良好なセンサ特性を発揮する。つまり、高感度で良好なセンサ特性を有する磁歪式応力センサの製造方法を提供することが可能である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１および図２は、実施の形態１に係る磁歪式応力センサを説明するための平面図および側面図である。

実施の形態１に係る磁歪式応力センサ１１０は、磁歪を有する磁性部材１１１を有し、磁性部材１１１は、引張の応力が付与された状態にあり、かつ、応力検知の対象部材１００に接合されている。そのため、磁歪式応力センサ１１０は、後述するように、高感度で良好なセンサ特性を有する。対象部材１００は、特に限定されないが、自動車の足回り部品に適用する場合、車輌挙動制御の実現に資することとなる。

詳述すると、磁歪式応力センサ１１０は、磁性部材１１１、磁気センサ１１６および磁石１１８を有する。

磁性部材１１１は、略コ字状断面を呈し、対象部材１００に接合される脚部１１２Ａ，１１２Ｂおよび脚部１１２Ａ，１１２Ｂの間を延長している平板状部１１３を有する。磁性部材１１１は、マルエージング鋼を機械加工することによって、形成される。マルエージング鋼の適用は、磁歪式応力センサ１１０のロバスト性、感度およびセンサ特性に関して好ましい。また、１８％Ｎｉ系のマルエージング鋼は、磁歪が大きい点で好ましく、時効状態で使用するとヒステリシスのない良好な特性となるため、より好ましい。

平板状部１１３は、その両端に位置する脚部１１２Ａ，１１２Ｂを介して、対象部材１００に接合されるため、対象部材１００の変形が不均一であっても、平均的な応力が、平板状部１１３に負荷される。

磁気センサ１１６は、磁束の変化を検知するリニアホールＩＣであり、平板状部１１３における対象部材１００に相対する面（内側面）に配置され、平板状部１１３に垂直な磁束成分を検出するために使用される。

磁石１１８は、磁束源であり、平板状部１１３における磁気センサ１１６が配置される内側面の反対側の面（外側面）に、平板状部１１３に近接して配置される。磁石１１８の着磁方向は、平板状部１１３における応力方向と略直交している。磁石１１８は、例えば、永久磁石である。永久磁石は、磁束を発生させるための電源および巻き線が不要であり、省電力化、小型化およびコスト低減の点で好ましい。

磁歪式応力センサ１１０において、対象部材１００に引張応力あるいは圧縮応力が負荷されると、脚部１１２Ａ，１１２Ｂを介して対象部材１００に接合されている平板状部１１３に、同様に、引張応力あるいは圧縮応力が負荷される。

例えば、引張応力が平板状部１１３に負荷される場合、磁石１１８からの磁束は、平板状部１１３を透過し易くなるため、漏れ磁束は減少する。一方、圧縮応力が平板状部１１３に負荷される場合、磁石１１８からの磁束は、平板状部１１３を透過し難くなるため、漏れ磁束は増加する。漏れ磁束の減少および増加は、磁気センサ１１６によって検出することができる。

したがって、磁気センサ１１６によって検出される磁石１１８の漏れ磁束の大きさは、磁性部材１１１が接合される対象部材１００に負荷される応力の大きさを反映するため、磁歪式応力センサ１１０は、対象部材１００の応力検知が可能である。つまり、磁気センサ１１６および磁石１１８は、磁性部材１１１に負荷される応力を検知するための応力検知手段を構成する。

次に、磁歪式応力センサ１１０の製造方法を説明する。

まず、マルエージング鋼を機械加工することによって、略コ字状断面を有する磁性部材１１１が、形成される。マルエージング鋼は、例えば、日立金属製のＹＡＧ３００（１８％Ｎｉ−９％Ｃｏ−５％Ｍｏ）である。磁性部材１１１の厚さ、幅、長さおよび高さは、０．５ｍｍ、１０ｍｍ、３０ｍｍおよび５ｍｍに設定される。

磁性部材１１１は、その後、固溶化および時効熱処理が施される。固溶化条件は、真空中にて８２０℃で１時間保持し、その後１００℃以下まで冷却である。時効条件は、真空中にて４９０℃で５時間保持し、その後、空冷である。

磁性部材１１１が接合される対象部材１００は、ステンレス鋼板（ＳＵＳ３０３）を切断することによって、形成される。対象部材１００の厚さ、幅および長さは、５ｍｍ、３０ｍｍおよび１００ｍｍである。

磁性部材１１１は、熱膨張させるために、電気炉に配置され、加熱される。加熱条件は、１５０℃で３０分保持である。磁性部材１１１は、加熱完了後、取出され、１２５℃になったときに、その脚部１１２Ａ，１１２Ｂが、２５℃の対象部材１００に、電子ビーム溶接によって、接合される。これにより、磁性部材１１１は、引張の応力が付与された状態となる。なお、磁性部材１１１は、板状であるため、接合が容易である。

磁性部材１１１を熱膨張させるためには、高周波加熱、温浴あるいは通電加熱を適用することも可能である。磁性部材１１１の脚部１１２Ａ，１１２Ｂと対象部材１００との接合には、ＴＩＧ、ＭＩＧ、プラズマやレーザ等の高エネルギービーム、摩擦圧接あるいは抵抗溶接を適用することも可能である。

なお、磁性部材１１１は、マルエージング鋼から形成されているため、温度が高すぎると相変態を起こして感度が劣化する虞がある。したがて、加熱温度は、５００℃以下が好ましい。接合する際における磁性部材１１１と対象部材１００との温度差は、小さすぎると応力付与効果が顕著でなくなるため、１００℃以上であることが好ましい。

磁石１１８は、φ３かつ長さ３．５ｍｍのサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石からなる。ＳｍＣｏ磁石は、１０Ｔで着磁後、２００℃で１時間熱枯らしされている。磁石１１８の端面での磁束密度は、約４．１ｋＧである。

図３および図４は、実施の形態１および比較例に係る感度およびセンサ特性を示しているグラフである。縦軸は、センサ出力ΔＢ［Ｇ］であり、横軸は、磁性部材１１１における応力に換算した外力（応力換算値）［ＭＰａ］である。

感度およびセンサ特性は、引張り試験機に対象部材１００をセットし、磁性部材１１１の長手方向に関する引張および圧縮応力を、対象部材１００に負荷することで、測定している。引張および圧縮応力の最大値は、１００ＭＰａ（応力換算値）である。応力が無負荷状態において、磁気センサ１１６によって検出される漏れ磁束は、約１５０Ｇである。

比較例は、磁性部材１１１を加熱することなく、常温で、その脚部１１２Ａ，１１２Ｂと対象部材１００とを接合したものであり、磁性部材１１１には、引張応力が付与されていない。

実施の形態１は、図３および図４に明確に示されるように、比較例と比べて、約２倍の感度を有しており、かつ、そのセンサ特性は、直線的である。つまり、磁歪式応力センサ１１０は、高感度で良好なセンサ特性を有している。

図５および図６は、比較例に係る高範囲応力および小振幅における感度およびセンサ特性を説明するためのグラフ、図７は、実施の形態１に係る感度およびセンサ特性を説明するためのグラフである。縦軸は、センサ出力ΔＢであり、横軸は、磁性部材１１１における応力に換算した外力である。

図５に示されるように、比較例に係る高範囲応力における感度およびセンサ特性は、外力ゼロ付近の感度は低いが、外力が高くなると感度は増し、飽和してくる。また、図６に示されるように、小振幅における感度およびセンサ特性は、外力ゼロ付近では感度も低く、ヒステリシスを描き、感度およびセンサ特性がよくないが、外力が高い場合には、感度およびセンサ特性も良好である。

一方、実施の形態１に係る感度およびセンサ特性は、図６に示される状態を回避することが可能である。すなわち、外力ゼロ付近での特性において、感度が上がりかつセンサ特性も良好となる。これは、図５において、縦軸を引張応力側にシフトした特性にほぼなっていると定性的にみなせる（図７参照）。

次に、変形例１を説明する。

変形例１においては、対象部材１００の温度を、磁性部材１１１の温度より１００℃高い温度に保持した状態で、その脚部１１２Ａ，１１２Ｂを対象部材１００に接合している。つまり、磁性部材１１１の代わりに、対象部材１００を熱膨張させており、磁性部材１１１は、圧縮の応力が付与された状態となっている。

変形例１のセンサ感度の測定結果は、実施の形態１の場合と比較し、約２割向上した。この効果は、付与される応力が、圧縮であるためと推定される。

次に、変形例２を説明する。

変形例２においては、磁性部材１１１と対象部材１００との接合に、焼ばめが適用されており、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ材）から形成される対象部材１００の上面に、磁性部材１１１を配置するための溝部が形成される。溝部は、深さが１ｍｍであり、かつ、磁性部材１１１の長手寸法から、−０．５ｍｍの公差を有する。焼ばめの際の対象部材１００の温度は、３５０℃である。

変形例２のセンサ感度の測定結果は、変形例１の場合と同等であった。

図８は、実施の形態１に係る変形例３を説明するための概略図である。

変形例３においては、製造装置１２０を適用することによって、磁性部材１１１の熱膨張および磁性部材１１１の脚部１１２Ａ，１１２Ｂと対象部材１００との接合が、連続的に実施される。製造装置１２０は、電源１２２、通電加熱回路１２４、電気抵抗溶接回路１２６および回路切換えスイッチ１２８を有する。

通電加熱回路１２４は、電源１２２および磁性部材１１１を接続しており、磁性部材１１１に通電し、磁性部材１１１の熱膨張を引き起こすジュール熱を、発生さるために使用される。電気抵抗溶接回路１２６は、電源１２２、磁性部材１１１および対象部材１００を接続しており、磁性部材１１１の脚部１１２Ａ，１１２Ｂと対象部材１００とを接合（スポット溶接）するために使用される。回路切換えスイッチ１２８は、通電加熱回路１２４と電気抵抗溶接回路１２６との間で、電源１２２を共有するために使用される。

製造装置１２０における熱膨張は、回路切換えスイッチ１２８によって電源１２２と通電加熱回路１２４とを接続し、磁性部材１１１に通電することで実施される。通電条件は、例えば、１００Ａで１５秒であり、磁性部材１１１の温度は、約２００℃に到達した。

製造装置１２０における接合（スポット溶接）は、回路切換えスイッチ１２８によって、電源１２２と通電加熱回路１２４との接続を解除する一方、電源１２２と電気抵抗溶接回路１２６とを接続し、磁性部材１１１および対象部材１００を加圧しながら通電することで実施される。通電条件は、例えば、５０００Ａで０．５秒である。

変形例３のセンサ感度の測定結果は、実施の形態１の場合と同等であった。

図９〜１２は、実施の形態１に係る変形例４〜７を説明するための概略図である。

変形例４において、磁性部材１１１は、図９に示される製造装置１３０によって、引張の応力が付与された状態とされる。

製造装置１３０は、対象部材１００の長手方向に圧縮力を付与するための加圧手段１３２、および、対象部材１００の座屈を防止し過剰な塑性変形を避けるためのスペーシング部材１３４を有する。加圧手段１３２は、例えば、油圧シリンダである。スペーシング部材１３４は、例えば、Φ１０×９８ｍｍのシャフトであり、加圧手段１３２の間に配置され、対象部材１００の長手方向に平行に位置決めされる。

製造装置１３０における磁性部材１１１に対する引張応力の付与は、加圧手段１３２によって対象部材１００に圧縮力を付与した状態で、磁性部材１１１の脚部１１２Ａ，１１２Ｂと対象部材１００とを接合することで、実施される。加圧条件は、例えば、２００ＭＰａである。

変形例４のセンサ感度の測定結果は、実施の形態１の場合と同等であった。

なお、応力付与は、磁性部材１１１と対象部材１００と接合時における相対的な伸び縮みに起因する関係である。したがって、接合の際に、図１０（変形例５）に示されるように、磁性部材１１１に圧縮力を付与したり、図１１（変形例６）あるいは図１２（変形例７）に示されるように、磁性部材１１１あるいは対象部材１００を機械的に引張ったりしたりすることで磁性部材１１１に引張または圧縮応力を付与することも可能である。

以上のように、実施の形態１は、高感度で良好なセンサ特性を有する磁歪式応力センサおよびその製造方法を提供することが可能である。

なお、磁性部材に対する応力の付与は、製品ごとの感度のばらつきを抑制することが可能である点でも好ましい。

磁性部材を応力検知対象部材に接合する前に、磁性部材に応力を付与し、予め応力が付与された状態の磁歪式応力センサを、応力検知対象部材に取り付けることも可能である。しかし、生産性の観点からは、応力の付与を、磁性部材と対象部材との接合時に実施することが、好ましい。

磁性部材の平板状部は、例えば、０．５ｍｍ以下の薄肉であり、かつ、引張の応力が付与された状態になっており、弛緩することにより、応力検知対象部材に負荷される圧縮力（応力）を検出する形態が好ましい。この場合、平板状部は、付与されている引張の応力の範囲内にある圧縮の応力が負荷されても、正味の圧縮応力が負荷されないので、座屈することはない。また、平板状部は、薄肉であるので、高い引張の応力が付与された状態に設定することが容易であり、磁歪式応力センサとしての実質的な感度を向上させることが可能である。

図１３は、実施の形態２に係る磁歪式応力センサを説明するための側面図である。

実施の形態２に係る磁歪式応力センサ２１０は、交流高周波方式であり、磁性部材２１１、インピーダンス検出手段（不図示）、ヨーク２１８および巻き線２１９を有する。

磁性部材２１１は、膜状であり、非磁性基板２１２に密着して配置される。非磁性基板２１２は、１０ｍｍｘ３０ｍｍの矩形形状であり、厚さ０．５ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０３）を切断することにより、形成される。磁性部材２１１は、厚みが７μｍのＦｅＮｉ合金からなり、スパッタによって形成される。スパッタの目標組成は、５０ｗｔ％Ｎｉ−Ｆｅである（磁歪は正）。スパッタエリアは、５ｍｍｘ１０ｍｍであり、基板の中央に位置決めされており、かつ、その長手方向は、非磁性基板２１２のの長手方向と一致させている。

非磁性基板２１２の両端部は、電子ビームによる溶接によって、応力検知の対象部材２００に接合される。この際、非磁性基板２１２および磁性部材２１１は、対象部材２００に比べて１００℃高い状態に加熱されることで、引張応力が磁性部材２１１に付与される。なお、対象部材２００は、厚さ２ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０３）を切断することによって、形成される。対象部材２００の幅は、２０ｍｍである。

ヨーク２１８は、ソフトフェライト（Ｍｎ−Ｚｎフェライト）から形成され、磁性部材２１１に近接させて位置決めされる開口部を有するコ字状である。巻き線２１９は、０．２ｍｍφのウレタン被覆銅線からなり、ヨーク２１８に５０回巻かれている。

インピーダンス検出手段は、巻き線に交流電流を流して、ヨーク２１８および巻き線２１９からなるコアのインピーダンスの変化を検出するために使用される。つまり、インピーダンス検出手段、ヨーク２１８および巻き線２１９は、磁性部材２１１に負荷される応力を検知するための応力検知手段を構成する。

図１４および図１５は、実施の形態２および比較例に係る感度およびセンサ特性を示しているグラフである。縦軸は、インピーダンスの変化割合（ΔＺ／Ｚ）であり、横軸は、磁性部材２１１における応力に換算した外力（応力換算値）［ＭＰａ］である。

感度およびセンサ特性は、引張り試験機に対象部材２００をセットし、磁性部材２１１の長手方向に関する引張および圧縮応力を、対象部材２００に負荷することで、得られた。引張および圧縮応力の最大値は、１００ＭＰａ（応力換算値）である。インピーダンス測定は、１５ｋＨｚかつ１０ｍＡの電流を流すことで実施されている。なお、比較例は、非磁性基板２１２の両端部と対象部材２００とを接続を、非磁性基板２１２を加熱せずに実施したものであり、磁性部材２１１に応力が付与されていない。

図１４および図１５に明確に示されるように、実施の形態２は、比較例と比べて、約倍の感度を有しており、かつ、そのセンサ特性は、直線的である。つまり、磁歪式応力センサ２１０は、高感度で良好なセンサ特性を有する。

次に、変形例１を説明する。

磁性部材２１１は、ＦｅＮｉ合金に限定されず、Ｆｅ８０Ｇａ２０を適用することも可能である。

例えば、磁性部材２１１の厚みを５μｍとした場合、感度は約倍であったが、センサ特性は、実施の形態２の場合と同様であった。やはり、引張の応力が付与された状態とした場合には、感度が高く、良好な特性が得られた。

次に、変形例２を説明する。

磁性部材２１１は、マルエージング鋼を適用することも可能である。マルエージング鋼は、例えば、日立金属製のＹＡＧ３００（１８％Ｎｉ−９％Ｃｏ−５％Ｍｏ）である。この場合、厚さ０．５ｍｍのマルエージング鋼を、機械加工することによって、非磁性基板２１２と同一サイズ、つまり、１０ｍｍｘ３０ｍｍの矩形形状に形成される。なお、磁性部材２１１は、その後、固溶化および時効熱処理が施される。固溶化条件は、真空中にて８２０℃で１時間保持、その後１００℃以下までの冷却である。時効条件は、真空中にて４９０℃で５時間保持し、その後、空冷である。

変形例２の感度およびセンサ特性の測定結果は、変形例１の場合と同等であった。また、引張の応力が付与された状態とした場合には、感度が高く、良好な特性が得られた。なお、磁歪の大きさはＦｅＧａ合金の方がマルエージング鋼より大きいが、感度が略同一なのは、磁性部材２１１の厚みが薄いためであると考えられる。

以上のように、実施の形態２では、磁歪式応力センサを交流高周波方式とすることが可能である。

図１６は、実施の形態３に係る磁歪式応力センサを説明するための側面図、図１７は、実施の形態３に係る応力検知の対象部材を説明するための斜視図である。

実施の形態３に係る磁歪式応力センサ３１０は、磁性部材３１１、第１磁気センサ３１６、磁石３１８、第１〜第３ヨーク３２０〜３２２および第２磁気センサ３２６を有する。

磁性部材３１１は、略コ字状断面を呈し、対象部材３０５に設けた平坦部３００に接合される脚部３１２Ａ，３１２Ｂおよび脚部３１２Ａ，３１２Ｂの間を延長している平板状部３１３を有する。磁性部材３１１は、マルエージング鋼を機械加工することによって、形成される。磁性部材３１１は、その後、固溶化および時効熱処理が施される。固溶化条件は、真空中にて８２０℃で１時間保持、その後１００℃以下まで冷却である。時効条件は、真空中にて４９０℃で５時間保持し、その後、空冷である。

平板状部３１３は、その両端に位置する脚部３１２Ａ，３１２Ｂを介して、対象部材３００に接合される。磁性部材３１１の厚さ、幅、長さおよび高さは、０．５ｍｍ、１０ｍｍ、３０ｍｍおよび５ｍｍである。

第１磁気センサ３１６は、磁束の変化を検知するリニアホールＩＣであり、平板状部３１３における対象部材３００に相対する面（内側面）に配置される。磁石３１８は、φ３かつ長さ３．５ｍｍのサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石からなる磁束源であり、平板状部３１３における第１磁気センサ３１６が配置される内側面の反対側の面（外側面）に、平板状部３１３に近接して配置される。ＳｍＣｏ磁石は、１０Ｔで着磁後、２００℃で１時間熱枯らしされている。磁石３１８の端面での磁束密度は、約４．１ｋＧである。

第１ヨーク３２０は、磁石３１８を取り囲むように、磁性部材３１１の外側面に配される。第１ヨーク３２０は、磁石３１８用であり、マルエージング鋼で作製され、磁性部材３１１と同様の熱処理が施される。第２磁気センサ３２６は、リニアホールＩＣからなり、第１ヨーク３２０における磁石３１８に相対する面（内側面）の反対側の面（外側面）に、配置され、磁石３１８の磁束をモニターするために使用される。

第２ヨーク３２１は、第１磁気センサ３１６を取り囲むように磁性部材３１１の内側面に配置される。第３ヨーク３２２は、第２磁気センサ３２６を取り囲むように、第１ヨーク３２０の外側面に、配置される。第２ヨーク３２１および第３ヨーク３２２は、ＰＢ（Ｎｉ−Ｆｅ）パーマロイ（軟磁性材）で作製され、集磁効果による感度向上および外部磁界に対する耐性向上を図ることが可能である。また、磁気センサの位置設定に対して磁気センサ特性が鈍感になるというメリットも有する。なお、ＰＢパーマロイヨークには、純水素中、１２００℃で２時間熱処理が施されている。

第１磁気センサ３１６および第２磁気センサ３２６は、以上のように、対称な環境となっており、磁石３１８の漏れ磁束は、同じレベルである。したがって、アクティブな第１磁気センサ３１６と、ダミーである第２磁気センサ３２６とを差動させ、磁歪式応力センサ出力とすることで、温度特性に優れたセンサ特性を得ることが可能である。

磁性部材３１１は、図１７に示されるディスクブレーキのキャリパーサポート３０５の圧縮部に設けられた平坦部３００に接合される。キャリパーサポートに荷重がかかると、磁歪式応力センサ３１０は圧縮状態となるため、磁歪式応力センサ３１０は、ブレーキ力を測定することが可能である。磁歪式応力センサ３１０の圧縮部への配置は、部材の強度信頼性の低下を避けることが可能であるため、好ましい。キャリパーサポートは、例えば、ＦＣＤ材（球状黒鉛化鋳鉄）製である。

なお、磁歪式応力センサ３１０の磁性部材３１１は、キャリパーサポートに比べて、１００℃高い温度に加熱された状態で、電子ビーム溶接によってキャリパーサポートの平坦部に脚部３１２Ａ，３１２Ｂが接合される。

なお、ディスクブレーキにおけるブレーキ動作においては、ブレーキを踏むとキャリパーパッドがデッスクに押し付けられ、キャリパーパッドがディスクを止めようとするとブレーキがかかる。キャリパーパッドはキャリパーサポートを押し、その反力がブレーキ力である。

図１８は、実施の形態３およびその変形例１に係る感度およびセンサ特性を示しているグラフである。縦軸は、センサ出力ΔＢ［Ｇ］であり、横軸は、キャリパーサポートに加えられた荷重［ｋＮ］である。符号○は、実施の形態３に係る感度およびセンサ特性を示し、符号□は、後述する変形例１に係る感度およびセンサ特性を示している。

実施の形態３は、図１８に明確に示されるように、良好な感度を有しており、かつ、そのセンサ特性は、直線的である。つまり、実施の形態３に係る磁歪式応力センサ３１０は、高感度で良好なセンサ特性を有する。

次に、変形例１を説明する。

磁性部材３１１の厚さは、０．５ｍｍから０．２ｍｍに変更され、引張応力付与の際の温度差は、１００℃から２００℃に変更されている。つまり、磁性部材３１１の厚さを削減しかつ引張応力付与の際の温度差を増加させることで、磁性部材３１１の引張の応力が付与された状態が、強化されている。したがって、キャリパーパッドがキャリパーサポートを押すと、磁性部材３１１は弛緩状態になるものと推定される。

変形例１の感度およびセンサ特性の測定結果は、図１８の符号□により示されるように、感度が大幅に向上している。

以上で説明したように、磁歪式応力センサの出力は、磁気センサ３１６と磁気センサ３２６とを差動させているので、実施の形態３における磁歪式応力センサでは、温度特性を向上させることが可能である。

図１９は、実施の形態４に係る磁歪式応力センサを説明するための背面図である。

磁歪式応力センサ４１０は、実施の形態１と同様な構成を有する磁性部材、磁気センサおよび磁石を有する。応力検知の対象部材４００は、平板状であり、その厚さ、幅および長さは、２ｍｍ、１００ｍｍおよび１００ｍｍである。

磁歪式応力センサ４１０の磁性部材の脚部と対象部材４００との接合は、ＴＩＧ溶接が適用される。この際、磁性部材および対象部材４００のいずれも加熱されておらず、磁性部材と対象部材４００との間には、温度差を生じさせていない。つまり、接合された時点においては、磁性部材は、応力が付与されていない。

接合後、対象部材４００における磁歪式応力センサ４１０の配置面の反対側に位置する面が、局部加熱される。局部加熱手段は、レーザであり、磁性部材の長手方向に沿って照射される。レーザビーム径は、例えば、Φ１０である。

レーザ出力は、磁性部材の脚部における最大温度が２００℃になるように、制御される。磁性部材の脚部の温度を検出する手段は、特に限定されないが、例えば、磁性部材の脚部に取付けられる熱電対である。

実施の形態４のセンサ感度の測定結果は、接合の際に応力が付与される実施の形態１の場合と同等であった。

図２０は、実施の形態４に係る変形例１を説明するための平面図である。

変形例１においては、接合後、対象部材４００における磁歪式応力センサ４１０が配置されている面が、レーザによって局部加熱される。レーザは、磁歪式応力センサ４１０の磁性部材から約１０ｍｍ離間しかつ磁性部材の長手方向に沿って、照射される。レーザ出力は、対象部材４００における磁歪式応力センサ４１０の配置面の反対側に位置する面（背面）における最大温度が１００℃になるように、制御される。背面の温度を検出する手段は、例えば、背面に取付けられる熱電対である。

変形例１のセンサ感度の測定結果は、接合の際に応力が付与される実施の形態１の場合と同等であった。

以上のように、実施の形態４は、接合後において、感度およびセンサ特性を向上させる応力を磁性部材に付与することが可能である。

なお、実施の形態４は、既に応力が付与された状態の磁歪式応力センサに適用することも可能である。この場合、付与されている応力が不十分な場合であっても、付加的に応力を付与することで、感度およびセンサ特性の品質を、事後的に一定に保つことが可能である。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。

例えば、感度およびセンサ特性を向上させる応力の付与方法、および、磁性部材と応力検知の対象部材との接合方法は、特に制限されず、磁性部材や対象部材の材質に応じて、適宜選択することが可能である。

また、磁気センサは、リニアホールＩＣに限定されず、例えば、省電力化および小型化の観点から、ホール素子やＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｅｆｆｅｃｔ）センサを適用することも可能である。

磁性部材には、マルエージング鋼に限定されず、例えば、良好な磁歪効果を有するＦｅＡｌ合金（例えば、アルフェル）、ＦｅＣｏＶ合金（例えば、パーメンジュール）、ＦｅＧａ合金、ＦｅＧａＡｌ合金（例えば、ガルフェノール）を適用することも可能である。

実施の形態１に係る磁歪式応力センサを説明するための平面図である。 実施の形態１に係る磁歪式応力センサを説明するための側面図である。 実施の形態１に係る感度およびセンサ特性を示しているグラフである。 比較例に係る感度およびセンサ特性を示しているグラフである。 比較例に係る高範囲応力における感度およびセンサ特性を説明するためのグラフである。 比較例に係る小振幅における感度およびセンサ特性を説明するためのグラフである。 実施の形態１に係る感度およびセンサ特性を説明するためのグラフである。 実施の形態１に係る変形例３を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る変形例４を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る変形例５を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る変形例６を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る変形例７を説明するための概略図である。 実施の形態２に係る磁歪式応力センサを説明するための側面図である。 実施の形態２に係る感度およびセンサ特性を示しているグラフである。 比較例に係る感度およびセンサ特性を示しているグラフである。 実施の形態３に係る磁歪式応力センサを説明するための側面図である。 実施の形態３に係る応力検知の対象部材を説明するための斜視図である。 実施の形態３およびその変形例１に係る感度およびセンサ特性を示しているグラフである。 実施の形態４に係る磁歪式応力センサを説明するための背面図である。 実施の形態４に係る変形例１を説明するための平面図である。

符号の説明

１００・・応力検知対象部材、
１１０・・磁歪式応力センサ、
１１１・・磁性部材、
１１２Ａ，１１２Ｂ・・脚部、
１１３・・平板状部、
１１６・・磁気センサ、
１１８・・磁石、
１２０・・製造装置、
１２２・・電源、
１２４・・通電加熱回路、
１２６・・電気抵抗溶接回路、
１２８・・スイッチ、
１３０・・製造装置、
１３２・・加圧手段、
１３４・・スペーシング部材、
２００・・応力検知対象部材、
２１０・・磁歪式応力センサ、
２１１・・磁性部材、
２１２・・非磁性基板、
２１８・・ヨーク、
２１９・・巻き線、
３００・・応力検知対象部材の圧縮部に設けた平坦部、
３０５・・キャリパーサポート、
３１０・・磁歪式応力センサ、
３１１・・磁性部材、
３１２Ａ，３１２Ｂ・・脚部、
３１３・・平板状部、
３１６・・第１磁気センサ、
３１８・・磁石、
３２０・・第１ヨーク、
３２１・・第２ヨーク、
３２２・・第３ヨーク、
３２６・・第２磁気センサ、
４００・・応力検知対象部材、
４１０・・磁歪式応力センサ。

Claims (16)

1. 応力検知対象部材に接合されかつ磁歪を有する磁性部材、および、
   前記磁性部材に負荷される応力を検知するための応力検知手段を有し、
   前記磁性部材は、引張あるいは圧縮の応力が付与された状態にあることを特徴とする磁歪式応力センサ。
2. 前記磁性部材は、引張の応力が付与された状態にあることを特徴とする請求項１に記載の磁歪式応力センサ。
3. 前記磁性部材は、板状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁歪式応力センサ。
4. 前記磁性部材は、全体が磁歪材料からなることを特徴とする請求項３に記載の磁歪式応力センサ。
5. 前記磁歪材料は、マルエージング鋼であることを特徴とする請求項４に記載の磁歪式応力センサ。
6. 前記磁性部材は、膜状であり、非磁性の基板に密着して配置されており、前記基板が、前記応力検知対象部材に接合されていることを特徴とする請求項３に記載の磁歪式応力センサ。
7. 前記応力検知手段は、前記磁性部材に近接させて位置決めされる開口部を有するコ字状ヨークと前記ヨークに巻かれた巻き線とからなるコア、および、前記巻き線に交流電流を流して、前記コアのインピーダンスの変化を検出するためのインピーダンス検出手段を有することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の磁歪式応力センサ。
8. 前記応力検知手段は、磁束源である永久磁石、および、前記永久磁石の磁束の変化を検知する磁気センサを有することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の磁歪式応力センサ。
9. 前記磁性部材は、平板状部および前記平板状部の両端部に位置する脚部を有し、
   前記脚部は、前記応力検知対象部材に接合されており、
   前記応力検知手段の検知応力方向は、前記平板状部の長手方向であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁歪式応力センサ。
10. 前記応力検知手段は、前記平板状部における前記応力検知対象に相対する第１面の反対側に位置する第２面に配置される磁束源である磁石、および、前記第１面に配置されかつ前記磁石の漏れ磁束を検知する磁気センサを有し、
    前記磁石の着磁方向は、前記平板状部に負荷される応力方向と略直交している
    ことを特徴とする請求項９に記載の磁歪式応力センサ。
11. 前記応力検知対象部材は、自動車の足回り部品であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の磁歪式応力センサ。
12. 前記足回り部品は、ディスクブレーキのキャリパーサポートであることを特徴とする請求項１１に記載の磁歪式応力センサ。
13. 前記キャリパーサポートに負荷される圧縮力を検知することで、ブレーキ力が測定されることを特徴とする請求項１２に記載の磁歪式応力センサ。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の磁歪式応力センサの製造方法であって、
    前記磁性部材を前記応力検知対象部材に接合する際に、前記磁性部材に応力を付与することで、前記磁性部材を、前記引張あるいは圧縮の応力が付与された状態とすることを特徴とする磁歪式応力センサの製造方法。
15. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の磁歪式応力センサの製造方法であって、
    前記磁性部材を前記応力検知対象部材に接合した後において、前記磁性部材に応力を付与することで、前記磁性部材を、前記引張あるいは圧縮の応力が付与された状態とすることを特徴とする磁歪式応力センサの製造方法。
16. 前記磁性部材と前記応力検知対象部材との温度差に基づく熱膨張を利用し、前記磁性部材に応力を付与することを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の磁歪式応力センサの製造方法。

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