JP2508940B2 - 高密度エネルギ―源を利用した信号パタ―ンの形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置や速度を検出する
非接触型センサーなどに使用される、金属表面に磁気特
性の異なる信号パターン（磁気目盛りなど）を形成する
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属表面へレーザ光あるいは電子線など
の高エネルギービームを照射して熱処理または再溶融凝
固で金属材料の磁気特性を変えることを利用して信号パ
ターン（磁気目盛り）を形成することできる。熱処理を
利用する場合には、加熱冷却によって磁気特性および／
または電気特性が変化する基体材料（例えば、鋼材や磁
気材料など）の表面にレーザーなどの高密度エネルギー
を照射して局部的に表面改質し、基体材料と特性の異な
る部分を照射パターン（規則的）に形成した被検出体か
ら、磁気的な検出センサーによって信号を得るというも
のが提案されている。例えば、鉄系合金（Ｆｅ２５％−
Ｎｉ７５％の磁性材料）にレーザ光で９００℃に急熱
し、自己冷却（急冷却）させる熱処理を施して、そこに
（局所的に）磁気変質部を形成する（特開昭５７−１６
３０９号公報参照）。金属体の表面にＮｉＰメッキ層を
形成し、このメッキ層をレーザ光で７００℃前後に加熱
し、この熱処理で透磁率を大きな変質部を形成する（特
開昭５７−１５７１１４号公報参照）。金属材料のロッ
ド表面にレーザビームを照射して、照射域を焼入状態に
し、透磁率を下げた磁性変質部を形成する（特開昭８３
−９８５０１号公報参照）。そこで、基体材料に炭素鋼
（ＳＣ材）あるいはニッケルクロム鋼（ＳＮＣ材）など
の低合金鋼を用いても、後述する図２に示す方法で信号
パターン付被検出体を製造し、図３のように検出センサ
ーでパルス信号検出が可能である。このような信号をカ
ウントすれば、部材の変位や速度を検出することができ
る

【０００３】再溶融凝固を利用する場合には、その一例
として、１８％Ｃｒ−７％Ｎｉの不安定オーステナイト
鋼の部材を冷間引抜と矯正して加工誘起マルテンサイト
組織にし、レーザ照射によって表面を溶融凝固させると
その部分をオーステナイト（非磁性体）化することがで
き、再溶融部と非溶融部を交互に繰り返したパターンを
形成することによって、非磁性・強磁性パターンを形成
する。（特開昭６２−８３６２０号公報参照）。本出願
人は、特願平３−２２３１９号にて、特定組成のステン
レス鋼を用いて、レーザ照射で溶融凝固させて信号パタ
ーンを形成する方法を提案し、さらに特願平３−６４４
０５号および３−１５８１１６号にて、Ｃｒ窒化物、Ｖ
窒化物、Ｎｂ窒化物、Ｔａ窒化物、Ｃｒ炭化物、Ｍｏ炭
化物、Ｓｉ炭化物などの少なくとも一種を含有するコー
ティング膜を強磁性鋼上に形成し、これらの窒化物ない
し炭化物を合金化するようにレーザ光照射で溶融凝固さ
せて信号パターンを形成する方法を提案した。

【０００４】また、金属基体の上に急冷凝固により非晶
質化する合金を結晶質の肉盛溶着層として形成し、これ
にレーザ（高密度エネルギー）照射で急速溶解・急速凝
固させて非晶質層パターンを形成する。結晶質部分と非
晶質部分との交互パターンを磁気検出器で走査すれば、
同様に変位や速度を検出することができる。この技術に
関連した発明を本出願人も特開平３−１７７５８２号、
特願平２−９３９２６号および２−９３９３０号などに
て提案した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来例の場合
には、信号を検出すると、基体と改質部（熱処理部、再
溶融凝固部）間での信号変化は第１図（ｃ）での検出信
号強度変化曲線のようになだらかとなって急激な変化と
なっていない。これはレーザビーム照射によって形成す
る改質部の（検出器の移動方向での断面）形状が深さＤ
と幅Ｌとの割合（Ｄ／Ｌ）で５０％未満でかつ境界面傾
斜角（基体表面と境界面との角度）αで７０度以下とな
ってしまうからである。このため、信号検出精度が悪く
かつバラツキがあるなど不安定である。

【０００６】検出精度を高めるには、理想的には図１
（ａ）に示すように改質部の側面（境界面）を垂直にし
て検出信号の変化をより急峻にするのが良い。しかしな
がら、高密度エネルギービーム（レーザ光）照射で金属
基体を加熱した時に、レーザビームスポットのエネルギ
ー密度分布は図２に示すようにスポット外周部が急では
あるが裾野を引くように弱まることと熱が熱伝導によっ
て非照射部へ逃げることから、図１（ａ）の改質部は得
られようがない。

【０００７】本発明の目的は、金属基体／再溶融凝固部
界面を制御して、図１（ａ）の理想的な状態に近づけ、
信号変化を従来よりも急峻にして、検出精度を安定化さ
せかつ信号強度を高めることであり、そのための信号パ
ターン（磁気目盛り）形成方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的が、被検出体
の表面にレーザ光の高密度エネルギービームを所定信号
パターン形状に印加することで局部的に再溶融急冷凝固
させて、該高密度エネルギーを印加しない前記被検出体
の部分とは磁気特性を異なるようにする信号形成方法に
おいて、前記レーザ光の照射前に、前記被検出体の表面
粗さを０．４μｍＲｚ以下にしておくことを特徴とする
高密度エネルギー源を利用した信号パターンの形成方法
によって達成される。

【０００９】高密度エネルギー源のレーザ光がＣＯ₂ レ
ーザ光またはＹＡＧレーザ光であることは好まし。

【００１０】

【作用】図１（ａ）に示されたような改質部である再溶
融凝固部に近い形のものを形成すれば、より急峻な信号
変化を得ることができるわけであり、この再溶融凝固部
の深さ／幅（Ｄ／Ｌ）比を５０％以上にして境界面傾斜
角αを９０度近い状態〔図１（ｂ）〕にすることによ
り、その信号変化を図１（ａ）に近いものとすることが
できる。

【００１１】このような再溶融凝固部をレーザ光照射で
形成するためには、溶融部にのみに照射エネルギーを
与えること、およびたとえ、非溶融部にエネルギーが
与えられようとも吸収しないことの条件が重要である。
空間的にコヒーレントの高い高出力レーザを用いればあ
る程度、エネルギー密度の均一化が図れて、ある程度は
条件が達成されるが、レーザエネルギー分布は図２の
ようなものが一般的であるので、条件を達成する工夫
が必要である。

【００１２】レーザエネルギーの金属基体表面での吸収
（または反射）に関して、レーザの波長と基体金属（材
料）との関係は図３に示すような関係があり、さらに金
属基体の表面粗さに依存して鏡のように粗さが小さいほ
ど反射が多くなる。そこで、レーザには金属材料に反射
率（エネルギー吸収）が依存しないような波長の長いも
のが好ましく、それはＣＯ₂ レーザ（波長：１０．６μ
ｍ）であり、そして金属基体表面を鏡面に近い粗さの
０．４μｍＲｚ以下にするのが好ましい。なお、ＹＡＧ
レーザ（波長：１．０６μｍ）でも使用できる場合があ
る。

【００１３】そこで、本発明にしたがって、レーザ光照
射前に被検出体（金属基体）の表面を０．４μｍＲｚ以
下の表面粗さにしてからレーザ光照射で再溶融凝固を行
うと、図４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示すように進
行する。図４（ａ）での再溶融初期には、エネルギー密
度の高い領域で溶融が始まり、図４（ｂ）での溶融中で
は溶融部は液体となっているためにレーザ吸収率が急激
に高くなって溶融が一層進み、一方、未（非）溶融部で
はエネルギー密度が小さいのと反射率が大きくて殆どを
反射するので溶融に到らない。結果として、レーザ光照
射を停止して自己冷却で図４（ｃ）の再凝固部が形成さ
れ、これは図１（ｂ）に対応する。このようにして、再
溶融凝固部の深さ／幅（Ｄ／Ｌ）比が５０％以上でかつ
境界傾斜角度αがほぼ９０度であり、その検出信号変化
は従来よりも急峻である。表面粗さを０．４μｍＲｚよ
りも大きくすると、未溶融部においてもエネルギーを吸
収し易いため溶融に至るが、図２のようにレーザビーム
スポット両端部では入熱エネルギー密度が小さいので、
図１（ｃ）のような凝固になってしまう。

【００１４】このような再溶融凝固部は磁気特性が基体
部分（非溶融部）と異なり、金属組織での磁気特性変化
を変化しない部分と変化した部分との比較で信号強度検
出を行うことができ、そのためには、センシングコイ
ル、ホール素子、ＭＲＥ素子などの磁気／電気特性検出
器を用いることができる。

【００１５】したがって、本願発明に係る方法で金属基
体の表面を信号パターン形状に応じてレーザ光照射で再
溶融し高速冷却凝固させて、磁気特性を変化させた部分
の境界面を金属基体表面に対して直角に近いものとして
形成することで、検出信号が明瞭で、高精度にかつ強度
の大きな信号パターン（磁気目盛りなど）を形成するこ
とができる。

【００１６】この再溶融急冷凝固処理の後に、被検出体
（金属基体）の表面を研磨仕上げ加工することは、信号
パターンの精度を高めるのに寄与するだけでなく、検出
器のプローブが被検出体の表面と接触する場合には、検
出器のプローブとの摺動を滑らかにしたり、接触しない
場合にはプローブとの間隙をより小さくできるなどの効
果がある。

【００１７】そして、信号パターン（再溶融急冷凝固領
域・部分）を特定方向に周期的に繰り返すように形成す
れば、異なる磁気特性値が交互に繰り返される信号（磁
気目盛り信号）が得られ、あるいは、特定方向に連続的
に幅を減少または増加させるように形成すれは、磁気特
性値が徐々に低下または増大する信号を得られる。これ
ら信号によって、被検出体の位置や速度を特定・算定す
ることができる。

【００１８】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の実施態
様例および比較例によって本発明を詳細に説明する。実施例 金属基体として、直径２２mmで長さ３５０mmの鋼材（Ｓ
４５Ｃ）丸棒の試料１を用意する。この表面にＣｒメッ
キ層（厚さ５０μｍ）を被覆する。試料の表面粗さが
０．２μｍＲｚのものと、０．４μｍＲｚのもの試料１
とする。なお、粗さを０．４μｍＲｚ以下にすることが
できれば、メッキ処理でない処理方法でも良い。

【００１９】次に、この鋼材丸棒試料１を、図５に示す
ように、ＮＣ制御テーブル２の上に取り付けた回転制御
装置３にセットする。酸化防止のシールドガスとして、
不活性ガス（アルゴンガス）をノズル４からレーザー照
射位置に向けて流す。回転装置３を回転速度２０mm/sに
て回転させると同時に下記条件にてレーザー５を鋼材丸
棒試料１に照射し、一周したところで照射を停止する。
ＮＣ制御テーブル２をＹ方向に一定量（所定ピッチ：３
mm）送り、再度レーザ光照射を同じ条件で行い、この動
作を周期的に１０回繰り返す。ここでのレーザー光照射
で鋼材丸棒試料１の照射部分は溶融し、クロムの成分が
合金化し、照射から外れると急速に自己冷却してオース
テナイト含有のマルテンサイト組織あるいはオーステナ
イト組織の処理部分（再溶融凝固部）６となる。

【００２０】（レーザー照射条件） レーザー： ＣＯ₂ レーザー レーザ出力： ３ｋＷ レーザビーム： 集光レンズ（フォーカス：２０inch）
にて直径約１mmのサイズに集光。 焦点位置：ジャストフォーカス

【００２１】次に、鋼材丸棒試料１を研磨仕上げ加工し
て、被検出体である信号体１０を完成する。得られた被
検出体１０の再溶融凝固部６を長手方向の断面で観察し
たところ、表面粗さが０．２μｍＲｚおよび０．４μｍ
Ｒｚのいずれも、図６（ａ）に示すような形状をしてお
り、再溶融凝固部の深さと幅との割合（Ｄ／Ｌ）が５５
％であり、境界面傾斜角αが９０度であった。

【００２２】製造した被検出体１０の外周の極近くに、
検出器１１のセンサ（プローブ）１２を図７に示すよう
に配置し、センサ１２（または被検出体１０）を移動さ
せて検出器８からの信号強度を調べる。この検出器１１
は図８に示す回路構成を有し、センサ（プローブ）１２
に共振コイル１３が組み込まれている。センサコイル１
３の大きさは直径２mmであり、検出時のエアギャップが
0.５mmである。検出器１０からは処理部分６の間隔（ピ
ッチＴ＝３mm）に応じたパルス状の波形が、ＣＯ₂ レー
ザ処理部分６と非処理部（Ｓ４５Ｃのまま）とでの磁気
特性の差に対応した強度差（波形のピークｔｏピークの
値）で得られ、その結果は、表面粗さ０．２μｍＲｚお
よび０．４μｍＲｚのいずれも、信号（センサ）出力0.
３５Ｖ（ボルト）あり、検出誤差は１．５％である。

【００２３】なお、検出誤差とは、図９のように一定レ
ベルで信号のＯＮ／ＯＦＦを検出した場合、次式の如く
にスケールピッチ（処理部分６の間隔）に対してどれだ
け誤差（θ）があるかを％表示したものである。 θ＝１００×（検出ずれΔｔ）／ピッチＴ

【００２４】比較例として、実施例と同じ直径２２mmで
長さ３５０mmの鋼材（Ｓ４５Ｃ）丸棒の試料を用意し、
この表面にＣｒ溶射層を形成する。この溶射層を器械加
工して厚さが５０μｍで、表面粗さが０．８μｍＲｚお
よび６．３μｍＲｚの比較試料ＡおよびＢを作製する。
上述した実施例と同じにレーザーによる再溶融急冷処理
および研磨仕上げ加工して同じサイズの被検出体を製造
する。得られた被検出体の再溶融凝固部を長手方向の断
面で観察したところ、表面粗さが０．８μｍＲｚの場合
には、図６（ｂ）に示すような形状をしており、再溶融
凝固部の深さと幅との割合（Ｄ／Ｌ）が４５％であり、
境界面傾斜角αが７０度でありそして、表面粗さが６．
３μｍＲｚの場合には、図６（ｃ）に示すような形状を
しており、深さと幅との割合（Ｄ／Ｌ）が３７％であ
り、境界面傾斜角αが６０度であった。製造した被検出
体について、実施例と同様にして信号出力（強度差）お
よび検出誤差を測定したところ、粗さ０．８μｍＲｚの
場合に0.２７Ｖおよび４．０％であり、そして粗さ６．
３μｍＲｚの場合に0.２５Ｖおよび４．４％である。

【００２５】上述した本発明の実施例および比較例にお
ける信号出力および検出誤差を図で示したのが、図１０
であり、さらに、表面粗さと検出誤差との関係を図です
めしたのが図１１である。これらの結果から明らかなよ
うに、本発明では比較例よりも高い信号出力が小さい検
出誤差で得られる。さらに、金属基材／再溶融凝固部
（処理部分）での検出信号の立ち上がり（変化）を調べ
ると、図１２に示すように、表面粗さが０．４μｍＲｚ
の本発明実施例（実線）のほうが表面粗さが０．８μｍ
Ｒｚの比較例Ａ（破線）よりもピークレベルが２０％も
高くかつ立ち上がりが急峻である。

【００２６】上述した被検出体は丸棒形状であるが、板
あるいはリング形状の金属基体とすることもできる。金
属基体の上に非晶質化する合金の肉盛層を形成し、その
一部を本発明にしたがって再溶融急冷処理して信号パタ
ーンを形成することもできる。また、再溶融に使用する
レーザーには上述のＣＯ₂ レーザーの他にＹＡＧレーザ
ーを用いることもできる。コイルセンサに代えて、磁気
センサとしてホール素子、ＭＲＥ素子などを用いても良
い。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る信号
パターンの形成方法では、レーザ光照射の前に被検出体
の表面粗さを鏡面に近い０．４μｍＲｚ以下にしておけ
ば、信号強度を高めるだけでなく、検出精度をも高める
（検出誤差を約１／３に低減しする）ことができる。ま
た、最後の研磨仕上げ加工を施す場合に、本発明では境
界面傾斜角がほぼ９０度であるので、研磨除去によって
ピッチの誤差を招くことはない。一方、従来の如く境界
面傾斜角が斜めであると、研磨除去によって再溶融凝固
部の幅が狭くなり、検出誤差を招く。

【図面の簡単な説明】

【図１】金属基体／再溶融凝固部（改質部）での部分断
面とそれに対応した検出信号強度とを示す図である。

【図２】レーザビームのエネルギー密度分布を示すグラ
フである。

【図３】金属の反射率の波長依存性を示すグラフであ
る。

【図４】本発明によるレーザ光照射での再溶融凝固を説
明する金属基体／再溶融凝固部（改質部）での部分断面
とそれに対応したレーザビームエネルギー密度分布を示
すグラフである。

【図５】レーザによる再溶融急冷処理を施している斜視
図である。

【図６】本発明実施例および比較例での再溶融凝固部で
の部分断面図である。

【図７】被検出体の信号パターン検出を概略的に示した
斜視図である。

【図８】磁気特性の検出器の回路構成のブロックダイヤ
グラムである。

【図９】一定レベルで信号のＯＮ／ＯＦＦを検出した場
合の検出信号の波形である。

【図１０】実施例および比較例のセンサ信号出力および
検出誤差のグラフである。

【図１１】表面粗さと検出誤差との関連を示すグラフで
ある。

【図１２】金属基体／再溶融凝固部での検出信号の立ち
上がり（変化）を示すグラフである。

【符号の説明】

１…鋼材丸棒試料 ３…回転制御装置 ４…ノズル ５…レーザー光 ６…処理部分（再溶融凝固部） １０…被検出体（信号体） １１…検出器 １２…センサ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出体の表面にレーザ光の高密度エネ
   ルギービームを所定信号パターン形状に印加することで
   局部的に再溶融急冷凝固させて、該高密度エネルギーを
   印加しない前記被検出体の部分とは磁気特性を異なるよ
   うにする信号形成方法において、前記レーザ光の照射前
   に、前記被検出体の表面粗さを０．４μｍＲｚ以下にし
   ておくことを特徴とする高密度エネルギー源を利用した
   信号パターンの形成方法。