JP2611520B2 - 歪み検出器 - Google Patents
歪み検出器Info
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- JP2611520B2 JP2611520B2 JP2241420A JP24142090A JP2611520B2 JP 2611520 B2 JP2611520 B2 JP 2611520B2 JP 2241420 A JP2241420 A JP 2241420A JP 24142090 A JP24142090 A JP 24142090A JP 2611520 B2 JP2611520 B2 JP 2611520B2
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- Japan
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- nickel
- magnetostrictive layer
- passive member
- sulfur
- strain detector
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- G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
- G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
- G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
- G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
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- G—PHYSICS
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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- Electroplating And Plating Baths Therefor (AREA)
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は受動部材の歪みを検出する歪み検出器に関
するものである。
するものである。
第４図は例えば特開昭59−164931号公報に示された従
来の歪み検出器を示し、（１）は回転するトルクを受け
る受動部材、（２）は受動部材（１）に帯状に固着され
た高透磁率軟磁性材料からなる磁歪層で、左右対象に±
45度の角度を成す短冊状に形成されている。（３）は磁
歪層（２）の周囲に設けられた検出コイルである。
来の歪み検出器を示し、（１）は回転するトルクを受け
る受動部材、（２）は受動部材（１）に帯状に固着され
た高透磁率軟磁性材料からなる磁歪層で、左右対象に±
45度の角度を成す短冊状に形成されている。（３）は磁
歪層（２）の周囲に設けられた検出コイルである。
次に、動作について説明する。受動部材（１）に外部
から回転トルクが印加されると、その表面で最大になる
応力が発生し、その主応力は短冊状素片からなる磁歪層
（２）の長軸方向を主軸とする。この主応力は例えば一
方向の磁歪層（２）の素片群について引っ張り力である
とすれば、その方向の直交する他方の磁歪層（２）の素
片群については圧縮力となる。一般に、磁歪定数がゼロ
でない磁性材料に応力が加わると、その透磁率が変化す
る。磁歪の大きさを定量的に表わす量である磁歪定数が
正の場合は、引っ張り力が働くと透磁率が増大し、圧縮
力が働くと透磁率が減少する。磁歪定数が負の場合に
は、その逆の結果となる。検出コイル（３）は外部より
印加されたトルク量に応じた磁歪層（２）の透磁率変化
を磁気的インピーダンスの変化として検出し、受動部材
（１）に印加されたトルク量及びそれに伴う歪み量を検
出する。各検出コイル（３）の出力は互いに極性が逆で
あるから、その差動出力を得ることにより大きな出力が
得られる。
から回転トルクが印加されると、その表面で最大になる
応力が発生し、その主応力は短冊状素片からなる磁歪層
（２）の長軸方向を主軸とする。この主応力は例えば一
方向の磁歪層（２）の素片群について引っ張り力である
とすれば、その方向の直交する他方の磁歪層（２）の素
片群については圧縮力となる。一般に、磁歪定数がゼロ
でない磁性材料に応力が加わると、その透磁率が変化す
る。磁歪の大きさを定量的に表わす量である磁歪定数が
正の場合は、引っ張り力が働くと透磁率が増大し、圧縮
力が働くと透磁率が減少する。磁歪定数が負の場合に
は、その逆の結果となる。検出コイル（３）は外部より
印加されたトルク量に応じた磁歪層（２）の透磁率変化
を磁気的インピーダンスの変化として検出し、受動部材
（１）に印加されたトルク量及びそれに伴う歪み量を検
出する。各検出コイル（３）の出力は互いに極性が逆で
あるから、その差動出力を得ることにより大きな出力が
得られる。
磁歪層として、従来アモルファス磁性材料が用いられ
る場合があるが、キュリー温度が比較的低く結晶構造が
不安定であるために、磁気特性が温度によって変化しや
すい欠点を持っている。上記の歪み検出器では、磁歪層
（２）にニッケル、パーマロイ、鉄などのメッキ膜を熱
処理したものを用いているので、結晶構造的に安定で、
受動部材に強固に接着され、機械的にも熱的にも安定で
信頼性が高い特徴がある。
る場合があるが、キュリー温度が比較的低く結晶構造が
不安定であるために、磁気特性が温度によって変化しや
すい欠点を持っている。上記の歪み検出器では、磁歪層
（２）にニッケル、パーマロイ、鉄などのメッキ膜を熱
処理したものを用いているので、結晶構造的に安定で、
受動部材に強固に接着され、機械的にも熱的にも安定で
信頼性が高い特徴がある。
上記の歪み検出器は、磁歪層にニッケルを主成分とす
るメッキ膜を用いているが、メッキ膜はメッキ工程にお
いて不純物を取り込み易く、特に電着応力緩和剤などか
ら硫黄が微量混入する。そのメッキ膜は歪み検出感度を
高くするため熱処理されるが、例えば技術文献の川崎製
鉄技報,14巻４号,12頁（1982発行）に示されているよう
に、熱処理により不純物の硫黄がニッケルと硫化物を形
成し、さらに結晶粒界に硫化物が偏析してメッキ膜が脆
化するので、受動部材にトルクが印加されると磁歪層に
微小クラックが発生し、第５図に示すような検出コイル
の出力特性にヒステリシスを生じるという問題点があっ
た。
るメッキ膜を用いているが、メッキ膜はメッキ工程にお
いて不純物を取り込み易く、特に電着応力緩和剤などか
ら硫黄が微量混入する。そのメッキ膜は歪み検出感度を
高くするため熱処理されるが、例えば技術文献の川崎製
鉄技報,14巻４号,12頁（1982発行）に示されているよう
に、熱処理により不純物の硫黄がニッケルと硫化物を形
成し、さらに結晶粒界に硫化物が偏析してメッキ膜が脆
化するので、受動部材にトルクが印加されると磁歪層に
微小クラックが発生し、第５図に示すような検出コイル
の出力特性にヒステリシスを生じるという問題点があっ
た。
この発明は上記のような課題を解決するために成され
たもので機械的及び熱的に安定で、感度が高く出力特性
の直線性が良好な歪み検出器を得ることを目的とする。
たもので機械的及び熱的に安定で、感度が高く出力特性
の直線性が良好な歪み検出器を得ることを目的とする。
この発明にかかる歪み検出器は、外力を受ける受動部
材と、上記受動部材の表面に形成され、ニッケル及びニ
ッケルより硫黄と反応し易い金属と不純物の硫黄が反応
してできた１種類以上の金属硫化物を含む磁性材料から
成る磁歪層と、上記磁歪層の外側に近接して設けられ、
上記外力に応じた磁歪層の歪みによる透磁率変化を検出
する検出コイルを備えたものである。ここでニッケルよ
り硫黄と反応し易い金属としては、マンガン、モリブデ
ン、マグネシウム、カドミウム、チタンなど、ニッケル
硫化物の標準生成自由エネルギーより小さい標準生成自
由エネルギーで硫化物を生成する金属が、単独あるいは
混合して用いられる。
材と、上記受動部材の表面に形成され、ニッケル及びニ
ッケルより硫黄と反応し易い金属と不純物の硫黄が反応
してできた１種類以上の金属硫化物を含む磁性材料から
成る磁歪層と、上記磁歪層の外側に近接して設けられ、
上記外力に応じた磁歪層の歪みによる透磁率変化を検出
する検出コイルを備えたものである。ここでニッケルよ
り硫黄と反応し易い金属としては、マンガン、モリブデ
ン、マグネシウム、カドミウム、チタンなど、ニッケル
硫化物の標準生成自由エネルギーより小さい標準生成自
由エネルギーで硫化物を生成する金属が、単独あるいは
混合して用いられる。
この発明における歪み検出器の磁歪層は、ニッケルよ
り硫黄と反応し易い金属と不純物の硫黄を反応させて、
ニッケルが不純物の硫黄と反応するのを防ぐ。
り硫黄と反応し易い金属と不純物の硫黄を反応させて、
ニッケルが不純物の硫黄と反応するのを防ぐ。
以下、この発明の第１の実施例を図を用いて説明す
る。第１図はこの発明による歪み検出器の主要な一部分
の断面図である。図において、（１）は受動部材で、従
来例と同様回転トルクを受ける。（２）はメッキ法で形
成された磁歪層で、ニッケル、鉄、マンガンを主成分と
している。他の構成部分は従来の歪み検出器の相当部分
と同じである。
る。第１図はこの発明による歪み検出器の主要な一部分
の断面図である。図において、（１）は受動部材で、従
来例と同様回転トルクを受ける。（２）はメッキ法で形
成された磁歪層で、ニッケル、鉄、マンガンを主成分と
している。他の構成部分は従来の歪み検出器の相当部分
と同じである。
先ず、磁歪層（２）の形成方法を説明する。受動部材
（１）の表面をメッキ膜との密着強度が強力になるよう
な前処理を施した後、受動部材（１）を、硫酸ニッケル
16g/1、塩化ニッケル39g/1、硫酸第１鉄3g/1、ホウ酸25
g/1、硫酸マンガン1g/1及び電着応力緩和剤から構成さ
れたメッキ浴に浸す。メッキ条件は、電流密度3A/dm2、
PH2.8、温度25℃で、機械的にメッキ浴を撹拌し、受動
部材（１）上に50分間で30μｍのメッキ膜を得る。その
後、マスクを用いてメッキ膜のフォトエッチング処理を
行い、所定のシェブロンパターンを形成する。このよう
にして形成されたメッキ膜は、ニッケル約89重量％、鉄
約９重量％、マンガン約２重量％さらに微量不純物とし
て硫黄を約0.06重量％含んでいる。このメッキ膜を、真
空中400℃１時間熱処理して磁歪層（２）を得た。この
時、マンガンは不純物硫黄と選択的に反応するので、磁
歪層（２）中にはマンガン硫化物が存在する。
（１）の表面をメッキ膜との密着強度が強力になるよう
な前処理を施した後、受動部材（１）を、硫酸ニッケル
16g/1、塩化ニッケル39g/1、硫酸第１鉄3g/1、ホウ酸25
g/1、硫酸マンガン1g/1及び電着応力緩和剤から構成さ
れたメッキ浴に浸す。メッキ条件は、電流密度3A/dm2、
PH2.8、温度25℃で、機械的にメッキ浴を撹拌し、受動
部材（１）上に50分間で30μｍのメッキ膜を得る。その
後、マスクを用いてメッキ膜のフォトエッチング処理を
行い、所定のシェブロンパターンを形成する。このよう
にして形成されたメッキ膜は、ニッケル約89重量％、鉄
約９重量％、マンガン約２重量％さらに微量不純物とし
て硫黄を約0.06重量％含んでいる。このメッキ膜を、真
空中400℃１時間熱処理して磁歪層（２）を得た。この
時、マンガンは不純物硫黄と選択的に反応するので、磁
歪層（２）中にはマンガン硫化物が存在する。
次に、比較用磁歪層の形成方法を説明する。メッキ浴
の組成を硫酸ニッケル16g/1、塩化ニッケル39g/1、硫酸
第１鉄3g/1、ホウ酸25g/1及び電着応力緩和剤から構成
し、メッキ条件を、電流密度3A/dm2、PH2.8、温度25℃
で、さらに機械的にメッキ浴を撹拌し、受動部材上に50
分間で30μｍのメッキ膜を得る。このメッキ層の組成
は、ニッケル約90重量％、鉄約10重量％さらに微量不純
物として硫黄を約0.06重量％含んでいる。このメッキ膜
を、真空中400℃１時間熱処理して比較用磁歪層を得
た。
の組成を硫酸ニッケル16g/1、塩化ニッケル39g/1、硫酸
第１鉄3g/1、ホウ酸25g/1及び電着応力緩和剤から構成
し、メッキ条件を、電流密度3A/dm2、PH2.8、温度25℃
で、さらに機械的にメッキ浴を撹拌し、受動部材上に50
分間で30μｍのメッキ膜を得る。このメッキ層の組成
は、ニッケル約90重量％、鉄約10重量％さらに微量不純
物として硫黄を約0.06重量％含んでいる。このメッキ膜
を、真空中400℃１時間熱処理して比較用磁歪層を得
た。
次にこの発明による磁歪層及び歪み検出器の性能につ
いて、第２図及び第３図を用いて説明する。第２図はい
ろいろな温度で熱処理した時のメッキ膜の降伏応力変化
を示す図及び第３図は受動部材（１）に印加される回転
トルクの大きさと検出コイル（３）の出力の関係を示す
図である。第２図及び第３図においては、実線はこの発
明によるメッキ膜及び歪み検出器、点線は比較用のメッ
キ膜及び歪み検出器に対する結果を表わす。比較用のメ
ッキ膜は200℃以上の熱処理で脆化し、降伏応力が極め
て小さいが、この発明によるメッキ膜は熱処理温度に依
存せずに熱的に安定で、降伏応力も約100Kgf/mm2と非常
に高く安定な機械的特性を示している。真空中400℃１
時間熱処理したメッキ膜を磁歪層に用いた場合、比較用
の歪み検出器は、感度が低く出力特性のヒステリシスが
大きいが、この発明の歪み検出器は、感度が高く出力特
性の直線性が良好であることが判る。これはメッキ膜の
熱処理工程において、マンガンはメッキ膜中の硫黄のゲ
ッターとして作用し、ニッケル硫化物の生成を抑え、磁
歪層の脆化を防止したためである。
いて、第２図及び第３図を用いて説明する。第２図はい
ろいろな温度で熱処理した時のメッキ膜の降伏応力変化
を示す図及び第３図は受動部材（１）に印加される回転
トルクの大きさと検出コイル（３）の出力の関係を示す
図である。第２図及び第３図においては、実線はこの発
明によるメッキ膜及び歪み検出器、点線は比較用のメッ
キ膜及び歪み検出器に対する結果を表わす。比較用のメ
ッキ膜は200℃以上の熱処理で脆化し、降伏応力が極め
て小さいが、この発明によるメッキ膜は熱処理温度に依
存せずに熱的に安定で、降伏応力も約100Kgf/mm2と非常
に高く安定な機械的特性を示している。真空中400℃１
時間熱処理したメッキ膜を磁歪層に用いた場合、比較用
の歪み検出器は、感度が低く出力特性のヒステリシスが
大きいが、この発明の歪み検出器は、感度が高く出力特
性の直線性が良好であることが判る。これはメッキ膜の
熱処理工程において、マンガンはメッキ膜中の硫黄のゲ
ッターとして作用し、ニッケル硫化物の生成を抑え、磁
歪層の脆化を防止したためである。
なお、上記第１の実施例では、磁歪層をメッキ法で得
ているが、ニッケルを主成分とする金属薄層を受動部材
に接着剤で貼り付けて磁歪層を形成する場合、ニッケル
を主成分とする金属層を製造する過程において、0.001
重量％程度の硫黄の混入は避けられず、ニッケル硫化物
が生成し、磁歪層が脆化する可能性があるので、上記第
１の実施例と同様の効果が期待できる。例えば磁歪層の
形成は次のように行われる。ニッケル90重量％、鉄9.55
重量％マンガン0.45重量％を添加したニッケル・マンガ
ン合金を1000℃以上のH2などの還元性雰囲気中で熱処理
を施して内部応力除去処理した後、エポキシ樹脂接着剤
によって受動部材に薄層を接着し、加圧しながら接着剤
を加熱硬化させ徐冷する。その後、マスクを用いて金属
薄層のフォトエッチング処理を行い、所望のシェブロン
パターンを形成する。
ているが、ニッケルを主成分とする金属薄層を受動部材
に接着剤で貼り付けて磁歪層を形成する場合、ニッケル
を主成分とする金属層を製造する過程において、0.001
重量％程度の硫黄の混入は避けられず、ニッケル硫化物
が生成し、磁歪層が脆化する可能性があるので、上記第
１の実施例と同様の効果が期待できる。例えば磁歪層の
形成は次のように行われる。ニッケル90重量％、鉄9.55
重量％マンガン0.45重量％を添加したニッケル・マンガ
ン合金を1000℃以上のH2などの還元性雰囲気中で熱処理
を施して内部応力除去処理した後、エポキシ樹脂接着剤
によって受動部材に薄層を接着し、加圧しながら接着剤
を加熱硬化させ徐冷する。その後、マスクを用いて金属
薄層のフォトエッチング処理を行い、所望のシェブロン
パターンを形成する。
また、上記第１及び第２の実施例では、磁歪層にニッ
ケル、鉄・マンガン合金を用いたが、磁歪層として好ま
しいニッケルと鉄の重量比率は、ニッケル35〜60％及び
80〜100％である。この範囲の磁歪層は、キュリー温度
が350〜550℃と高くなり、磁歪層の磁気的特定の温度依
存性が小さく安定になっている。また、Ni3Feなどの規
格格子が形成されず、結晶構造が安定であり、磁歪層の
磁気的特性の温度依存性が小さくなり、歪み検出器とし
ての温度依存性が改善される。一方、この範囲以外のニ
ッケル量にすると、磁歪層の透磁率が低くなり、歪み検
出器の感度が低下して好ましくない。また、マンガンの
量は不純物の硫黄全部と反応するだけのものでよく、で
きるだけ少量が望ましい。
ケル、鉄・マンガン合金を用いたが、磁歪層として好ま
しいニッケルと鉄の重量比率は、ニッケル35〜60％及び
80〜100％である。この範囲の磁歪層は、キュリー温度
が350〜550℃と高くなり、磁歪層の磁気的特定の温度依
存性が小さく安定になっている。また、Ni3Feなどの規
格格子が形成されず、結晶構造が安定であり、磁歪層の
磁気的特性の温度依存性が小さくなり、歪み検出器とし
ての温度依存性が改善される。一方、この範囲以外のニ
ッケル量にすると、磁歪層の透磁率が低くなり、歪み検
出器の感度が低下して好ましくない。また、マンガンの
量は不純物の硫黄全部と反応するだけのものでよく、で
きるだけ少量が望ましい。
また、上記第１及び第２の実施例では、磁歪層におけ
る硫黄のゲッターとしてマンガンを用いたが、硫化物の
標準生成自由エネルギーがニッケルより小さい金属であ
ればよく、マンガンの他にモリブデン、マグネシウム、
カドミウム、チタンなどを単独または混合して用いて
も、上記第１及び第２の実施例と同様の効果が得られ
る。
る硫黄のゲッターとしてマンガンを用いたが、硫化物の
標準生成自由エネルギーがニッケルより小さい金属であ
ればよく、マンガンの他にモリブデン、マグネシウム、
カドミウム、チタンなどを単独または混合して用いて
も、上記第１及び第２の実施例と同様の効果が得られ
る。
また、上記第１及び第２の実施例では、受動部材に回
転トルクが加わった場合について説明したが、引っ張り
力が圧縮力など他の外力が加わった場合でもこの発明に
よる磁歪層を受動部材の適当な位置に設けて、上記第１
及び第２の実施例と同様の効果を得ることができる。
転トルクが加わった場合について説明したが、引っ張り
力が圧縮力など他の外力が加わった場合でもこの発明に
よる磁歪層を受動部材の適当な位置に設けて、上記第１
及び第２の実施例と同様の効果を得ることができる。
以上のようにこの発明によれば、磁歪層をニッケル及
びニッケルより硫黄と反応し易い金属と不純物の硫黄が
反応してできた１種類以上の金属硫化物を含む磁性材料
から成るようにしたので、機械的及び熱的に安定で、感
度が高く出力特性の直線性が良好な歪み検出器が得られ
る効果がある。
びニッケルより硫黄と反応し易い金属と不純物の硫黄が
反応してできた１種類以上の金属硫化物を含む磁性材料
から成るようにしたので、機械的及び熱的に安定で、感
度が高く出力特性の直線性が良好な歪み検出器が得られ
る効果がある。
第１図はこの発明による歪み検出器の主要な一部分の断
面図、第２図はいろいろな温度で熱処理した時のこの発
明におけるメッキ膜と比較用のメッキ膜の降伏応力変化
を示す比較図、第３図はこの発明による歪み検出器と比
較用の歪み検出器の受動部材に印加されるトルクの大き
さによる検出コイル出力変化を示す比較図、第４図は従
来の歪み検出器を示す構成図、第５図は従来の歪み検出
器の受動部材に印加されるトルクの大きさによる検出コ
イルの出力変化を示す特性図である。 図において、（１）は受動部材、（２）は磁歪層、
（３）は検出コイルである。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
面図、第２図はいろいろな温度で熱処理した時のこの発
明におけるメッキ膜と比較用のメッキ膜の降伏応力変化
を示す比較図、第３図はこの発明による歪み検出器と比
較用の歪み検出器の受動部材に印加されるトルクの大き
さによる検出コイル出力変化を示す比較図、第４図は従
来の歪み検出器を示す構成図、第５図は従来の歪み検出
器の受動部材に印加されるトルクの大きさによる検出コ
イルの出力変化を示す特性図である。 図において、（１）は受動部材、（２）は磁歪層、
（３）は検出コイルである。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】外力を受ける受動部材と、上記受動部材の
表面に形成され、ニッケル及びニッケルより硫黄と反応
し易い金属と不純物の硫黄が反応してできた１種類以上
の金属硫化物を含む磁性材料から成る磁歪層と、上記磁
歪層の外側に近接して設けられ、上記外力に応じた磁歪
層の歪みによる透磁率変化を検出する検出コイルを備え
たことを特徴とする歪み検出器。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2241420A JP2611520B2 (ja) | 1990-09-11 | 1990-09-11 | 歪み検出器 |
| KR1019910014170A KR950008825B1 (ko) | 1990-09-11 | 1991-08-16 | 스트레인검출기 |
| US07/757,416 US5267476A (en) | 1990-09-11 | 1991-09-10 | Strain detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2241420A JP2611520B2 (ja) | 1990-09-11 | 1990-09-11 | 歪み検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04120433A JPH04120433A (ja) | 1992-04-21 |
| JP2611520B2 true JP2611520B2 (ja) | 1997-05-21 |
Family
ID=17074031
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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