JP3166937B2 - 磁歪式歪センサ - Google Patents
磁歪式歪センサInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は磁性体の逆磁歪効果を利
用した非接触式歪センサに関するもので、例えば、高速
モータの回転軸のアンバランス、ロボット、工作機械な
どに使用するモータのトルク、ワイヤの張力等を検出す
る歪センサに関する。
用した非接触式歪センサに関するもので、例えば、高速
モータの回転軸のアンバランス、ロボット、工作機械な
どに使用するモータのトルク、ワイヤの張力等を検出す
る歪センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、軸の変形（曲げ）およびやトル
ク、張力などの力を検出するにはつぎのような方法がと
られていした。まず、軸の変形を測定するものとして、
モータ回転軸のアンバランスによる回転ぶれを測る場合
がある。たとえば、プリント基板に穴加工をするには高
速モータが使用されている。穴の加工精度に対する要求
が増加する中で、モータへの要求としては高速・高精度
回転が要求される。つまり、回転ぶれのないモータが要
求されている。これは回転軸にレーザ光を照射し、その
間の距離を測定し、回転軸の変位をレーザで測定する方
法である。つぎに、回転駆動系を有するロボットやマニ
ピュレータおよび工作機械などのトルクを検出して、こ
の結果を制御に用いる場合がある。この場合、非接触で
かつ小型のトルクセンサが要求されており、このような
トルクセンサとして、図１に示す構造のものがある。す
なわち、回転軸２の外周表面に逆磁歪効果を有する磁性
膜１を形成し、回転軸２に加わるトルクにより磁性膜１
の透磁率が変化する性質を利用したもので、磁性膜１の
透磁率の変化は回転軸２の周囲に一定ギャップを保って
巻いてあるコイル３のインピーダンス変化として検出す
る。センサを形成する磁性膜はＦｅ−Ｎｉ系合金やＦｅ
−Ａｌ合金などが用いられ、密着力、膜組成の再現性な
どの点からスパッタリング法、イオンプレーティング
法、レーザ蒸着法などの真空技術を用いて形成されてい
る。一方、回転軸には主に機械構造炭素鋼が用いられて
いるが、耐食性や軽量化が要求される用途には回転軸の
材質にはオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０
４）やアルミニウム合金が適用されるようになった。ま
た、ワイヤのような張力を計測する場合には部材に抵抗
線ひずみゲージを貼り付けて、電気抵抗の変化としてと
りだしている。
ク、張力などの力を検出するにはつぎのような方法がと
られていした。まず、軸の変形を測定するものとして、
モータ回転軸のアンバランスによる回転ぶれを測る場合
がある。たとえば、プリント基板に穴加工をするには高
速モータが使用されている。穴の加工精度に対する要求
が増加する中で、モータへの要求としては高速・高精度
回転が要求される。つまり、回転ぶれのないモータが要
求されている。これは回転軸にレーザ光を照射し、その
間の距離を測定し、回転軸の変位をレーザで測定する方
法である。つぎに、回転駆動系を有するロボットやマニ
ピュレータおよび工作機械などのトルクを検出して、こ
の結果を制御に用いる場合がある。この場合、非接触で
かつ小型のトルクセンサが要求されており、このような
トルクセンサとして、図１に示す構造のものがある。す
なわち、回転軸２の外周表面に逆磁歪効果を有する磁性
膜１を形成し、回転軸２に加わるトルクにより磁性膜１
の透磁率が変化する性質を利用したもので、磁性膜１の
透磁率の変化は回転軸２の周囲に一定ギャップを保って
巻いてあるコイル３のインピーダンス変化として検出す
る。センサを形成する磁性膜はＦｅ−Ｎｉ系合金やＦｅ
−Ａｌ合金などが用いられ、密着力、膜組成の再現性な
どの点からスパッタリング法、イオンプレーティング
法、レーザ蒸着法などの真空技術を用いて形成されてい
る。一方、回転軸には主に機械構造炭素鋼が用いられて
いるが、耐食性や軽量化が要求される用途には回転軸の
材質にはオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０
４）やアルミニウム合金が適用されるようになった。ま
た、ワイヤのような張力を計測する場合には部材に抵抗
線ひずみゲージを貼り付けて、電気抵抗の変化としてと
りだしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、レーザ光を
照射して、回転軸の変位を測定する場合、その精度はせ
いぜいμｍオーダであるため、これより小さい回転ぶれ
を測定する事ができなかった。そして、回転ぶれを測定
するためにわざわざ装置をセットしなければならず、モ
ータ製品の回転ぶれの常時観察ができなかった。また、
回転駆動系のトルクを検出する場合、オーステナイト系
ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）やアルミニウム合金のよ
うな膨張係数の大きい材質の回転軸上に、従来から使用
されている磁性膜である５０Ｎｉ−Ｆｅ合金膜を形成し
ても、トルク出力は全く出現しない問題がある。また，
ひずみゲージによって張力を測定するには、検出される
出力が極めて小さいため、装置が大形化したり、電気的
ノイズに対して弱いという問題があった。そこで、本発
明は上述の問題点を解決した、回転ぶれ、トルク、張力
などを高出力で、精度良く検出できる磁歪式歪みセンサ
を提供することを目的とする。
照射して、回転軸の変位を測定する場合、その精度はせ
いぜいμｍオーダであるため、これより小さい回転ぶれ
を測定する事ができなかった。そして、回転ぶれを測定
するためにわざわざ装置をセットしなければならず、モ
ータ製品の回転ぶれの常時観察ができなかった。また、
回転駆動系のトルクを検出する場合、オーステナイト系
ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）やアルミニウム合金のよ
うな膨張係数の大きい材質の回転軸上に、従来から使用
されている磁性膜である５０Ｎｉ−Ｆｅ合金膜を形成し
ても、トルク出力は全く出現しない問題がある。また，
ひずみゲージによって張力を測定するには、検出される
出力が極めて小さいため、装置が大形化したり、電気的
ノイズに対して弱いという問題があった。そこで、本発
明は上述の問題点を解決した、回転ぶれ、トルク、張力
などを高出力で、精度良く検出できる磁歪式歪みセンサ
を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
め、本発明は、力伝達部材の表面に逆磁歪効果を有する
磁性膜を真空技術により形成し、その周囲に配置したコ
イルにより前記力伝達部材の表面に発生する歪みに基づ
く前記磁性膜の透磁率の変化をコイルのインピーダンス
変化としてとらえ、前記力伝達部材の表面に発生した歪
みを検出する歪みセンサであって、前記磁性膜はその熱
膨張係数が力伝達軸の熱膨張係数より小さく、かつ、磁
歪定数が負の値を示すものである。また、前記磁性膜の
材質をＦｅ含有量０〜１５Wt％と残部Ｎｉからなる合
金、Ｎｉ含有量５５Wt％以上を含むＣｏ合金またはＣｏ
のいずれかとしている。
め、本発明は、力伝達部材の表面に逆磁歪効果を有する
磁性膜を真空技術により形成し、その周囲に配置したコ
イルにより前記力伝達部材の表面に発生する歪みに基づ
く前記磁性膜の透磁率の変化をコイルのインピーダンス
変化としてとらえ、前記力伝達部材の表面に発生した歪
みを検出する歪みセンサであって、前記磁性膜はその熱
膨張係数が力伝達軸の熱膨張係数より小さく、かつ、磁
歪定数が負の値を示すものである。また、前記磁性膜の
材質をＦｅ含有量０〜１５Wt％と残部Ｎｉからなる合
金、Ｎｉ含有量５５Wt％以上を含むＣｏ合金またはＣｏ
のいずれかとしている。
【０００５】
【作用】磁性膜の磁歪定数には正と負の値をもつものが
あり、膜作製時に磁歪定数が正の材料は寸法的に伸ばし
た状態でないと磁気的な異方性がつかない。また、磁歪
定数が負の値を示す材料は寸法的に縮めた状態でない
と、異方性のついた膜に歪が加わるとその磁気特性が変
化する。したがって、ＳＵＳ３０４やアルミニウム合金
からなる力伝達部材の表面上に形成した膨張係数が力伝
達部材より小さい磁性膜には圧縮応力が働いているの
で、負の磁歪定数をもつ磁性膜を使えば歪みの量に応じ
た磁気特性の変化を検出することができる。すなわち、
回転軸の回転ぶれが発生している場合は、軸表面には曲
げ応力によるひずみが発生しているので、その変化が検
出でき、トルク、張力も同様にひずみを検出できる。し
たがって、予めひずみと物理量との換算値を求めておけ
ば、変位やトルク、張力などを求めることができる。
あり、膜作製時に磁歪定数が正の材料は寸法的に伸ばし
た状態でないと磁気的な異方性がつかない。また、磁歪
定数が負の値を示す材料は寸法的に縮めた状態でない
と、異方性のついた膜に歪が加わるとその磁気特性が変
化する。したがって、ＳＵＳ３０４やアルミニウム合金
からなる力伝達部材の表面上に形成した膨張係数が力伝
達部材より小さい磁性膜には圧縮応力が働いているの
で、負の磁歪定数をもつ磁性膜を使えば歪みの量に応じ
た磁気特性の変化を検出することができる。すなわち、
回転軸の回転ぶれが発生している場合は、軸表面には曲
げ応力によるひずみが発生しているので、その変化が検
出でき、トルク、張力も同様にひずみを検出できる。し
たがって、予めひずみと物理量との換算値を求めておけ
ば、変位やトルク、張力などを求めることができる。
【０００６】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
する。 （第一実施例）図１に本発明の第一実施例を示す。図に
おいて、１は回転軸、２は励磁および検出用のコイル、
３は磁歪膜である。回転軸１の材料は高速モータで使用
されているＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３１６を用いた。
熱膨張係数は１７×１０-6／°℃である。磁性膜３の材
料は５０Ｎｉ−Ｆｅ、７５Ｎｉ−Ｆｅ、８５Ｎｉ−Ｆ
ｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、８７Ｆｅ−Ａｌ、ＳｍＦｅ2 、５０Ｎ
ｉ−Ｃｏ、６０Ｎｉ−Ｃｏとした。含有量は全て重量％
である。これら磁性膜の熱膨張係数は１３×１０-6／℃
以下である。磁性膜３の形成にはスパッタリング法、イ
オンプレーティング法、およびレーザ蒸着法の３つの方
法を用いた。ＳＵＳ３０４とＳＵＳ３１６からなる回転
軸１をトリクレン、純水、アルコールの順に超音波洗浄
を施したのち、スパッタ装置内にセットした。５×１０
-6Ｔｏｒｒ以下に排気したのち、回転軸を４５０℃に加
熱した後、回転軸の一部に各種磁性膜を厚さ５μｍだけ
形成し、歪センサを構成した。回転軸の周囲に配置した
コイルは６００ターンである。次に、回転軸を回転させ
ながら歪センサの出力を回転位置に対して測定した。手
動で回転させたときの値を基準に回転数を２００００ｒ
ｐｍまで増加して出力を測定した。その結果を表１に示
す。
する。 （第一実施例）図１に本発明の第一実施例を示す。図に
おいて、１は回転軸、２は励磁および検出用のコイル、
３は磁歪膜である。回転軸１の材料は高速モータで使用
されているＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３１６を用いた。
熱膨張係数は１７×１０-6／°℃である。磁性膜３の材
料は５０Ｎｉ−Ｆｅ、７５Ｎｉ−Ｆｅ、８５Ｎｉ−Ｆ
ｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、８７Ｆｅ−Ａｌ、ＳｍＦｅ2 、５０Ｎ
ｉ−Ｃｏ、６０Ｎｉ−Ｃｏとした。含有量は全て重量％
である。これら磁性膜の熱膨張係数は１３×１０-6／℃
以下である。磁性膜３の形成にはスパッタリング法、イ
オンプレーティング法、およびレーザ蒸着法の３つの方
法を用いた。ＳＵＳ３０４とＳＵＳ３１６からなる回転
軸１をトリクレン、純水、アルコールの順に超音波洗浄
を施したのち、スパッタ装置内にセットした。５×１０
-6Ｔｏｒｒ以下に排気したのち、回転軸を４５０℃に加
熱した後、回転軸の一部に各種磁性膜を厚さ５μｍだけ
形成し、歪センサを構成した。回転軸の周囲に配置した
コイルは６００ターンである。次に、回転軸を回転させ
ながら歪センサの出力を回転位置に対して測定した。手
動で回転させたときの値を基準に回転数を２００００ｒ
ｐｍまで増加して出力を測定した。その結果を表１に示
す。
【０００７】
【表１】
【０００８】回転数の増加にともない軸に曲げ応力が負
荷されている事が分かった。回転軸の熱膨張係数より小
さい値をもつ磁性膜については、その磁歪定数が負でな
いと出力が出ていないことが分かる。また、回転数の増
加により歪の値（出力）が大きくなっているのは遠心力
の増加ではなく回転ぶれが回転数に従い大きくなってい
る事を示している。なお、比較のため、従来法のレーザ
法によって変形を測定したが検出限界以下の変形であっ
た。
荷されている事が分かった。回転軸の熱膨張係数より小
さい値をもつ磁性膜については、その磁歪定数が負でな
いと出力が出ていないことが分かる。また、回転数の増
加により歪の値（出力）が大きくなっているのは遠心力
の増加ではなく回転ぶれが回転数に従い大きくなってい
る事を示している。なお、比較のため、従来法のレーザ
法によって変形を測定したが検出限界以下の変形であっ
た。
【０００９】（第二実施例）図２に本発明の第二の実施
例を示す。図において、１は回転軸、２は励磁および検
出用のコイル、３は磁歪膜である。回転軸１の材料とし
てＳＵＳ３０４およびジュラルミンを用いた。その熱膨
張係数はＳＵＳ３０４が１７×１０-6／℃、ジュラルミ
ンが２３×１０-6／℃である。磁性膜の材料とその形成
方法は第一の実施例に近い組成を用い、図２のような５
μｍの膜厚の磁性膜を形成した。つぎに、トルクセンサ
を構成して、トルク出力特性を測定した。結果を表２に
示す。
例を示す。図において、１は回転軸、２は励磁および検
出用のコイル、３は磁歪膜である。回転軸１の材料とし
てＳＵＳ３０４およびジュラルミンを用いた。その熱膨
張係数はＳＵＳ３０４が１７×１０-6／℃、ジュラルミ
ンが２３×１０-6／℃である。磁性膜の材料とその形成
方法は第一の実施例に近い組成を用い、図２のような５
μｍの膜厚の磁性膜を形成した。つぎに、トルクセンサ
を構成して、トルク出力特性を測定した。結果を表２に
示す。
【００１０】
【表２】
【００１１】この結果から、第一の実施例と同様に回転
軸１の熱膨張係数より小さい値をもつ磁性膜について
は、材料によらずその磁歪定数が負でないと出力が出て
いないことが分かる。 （第三実施例）図３に本発明の第三の実施例を示す。図
において、４は力伝達軸、２は励磁および検出用のコイ
ル、３は磁歪膜である。力伝達軸４の材料は第一の実施
例と同様のＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３１６を用いた。
磁性膜の材料とその形成方法は第一の実施例と同様のも
のを用い、図３のような５μｍの膜厚の磁性膜を形成し
た。つぎに、引張りセンサを構成して、引張り出力特性
を測定した。結果を表３に示す。
軸１の熱膨張係数より小さい値をもつ磁性膜について
は、材料によらずその磁歪定数が負でないと出力が出て
いないことが分かる。 （第三実施例）図３に本発明の第三の実施例を示す。図
において、４は力伝達軸、２は励磁および検出用のコイ
ル、３は磁歪膜である。力伝達軸４の材料は第一の実施
例と同様のＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３１６を用いた。
磁性膜の材料とその形成方法は第一の実施例と同様のも
のを用い、図３のような５μｍの膜厚の磁性膜を形成し
た。つぎに、引張りセンサを構成して、引張り出力特性
を測定した。結果を表３に示す。
【００１２】
【表３】
【００１３】この結果から、第一第および二の実施例と
同様に力伝達軸１の熱膨張係数より小さい値をもつ磁性
膜については、材料によらずその磁歪定数が負でないと
出力が出ていないことが分かる。本実施例はスパッタ法
による磁性膜について示したが真空技術を使用する磁性
膜形成法や湿式メッキ法でも同じ効果が得られることは
作用の考え方から明らかである。平面上の歪を検出する
センサでも同様の効果が得られることは明かである。
同様に力伝達軸１の熱膨張係数より小さい値をもつ磁性
膜については、材料によらずその磁歪定数が負でないと
出力が出ていないことが分かる。本実施例はスパッタ法
による磁性膜について示したが真空技術を使用する磁性
膜形成法や湿式メッキ法でも同じ効果が得られることは
作用の考え方から明らかである。平面上の歪を検出する
センサでも同様の効果が得られることは明かである。
【００１４】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば力伝
達部材の表面に負の磁歪定数をもつ膜を設けたので、つ
ぎの効果が得られる。 歪がかかる回転軸などのわずかな歪を検出でき、回転
ぶれの少ない製品の選別ができる。また、製品に組み込
んでおけば、使用中の軸回転状態を常時観察できるの
で、異常事態の早期発見にも役立つ。 耐食性が要求されるＳＵＳ３０４などのオーステナイ
ト系ステンレスシャフト鋼や軽量化が要求されるアルミ
ニウム合金などのシャフトを備えたモータに本トルクセ
ンサを構成し得る。 ノイズに強い高出力の引張センサが構成し得る。
達部材の表面に負の磁歪定数をもつ膜を設けたので、つ
ぎの効果が得られる。 歪がかかる回転軸などのわずかな歪を検出でき、回転
ぶれの少ない製品の選別ができる。また、製品に組み込
んでおけば、使用中の軸回転状態を常時観察できるの
で、異常事態の早期発見にも役立つ。 耐食性が要求されるＳＵＳ３０４などのオーステナイ
ト系ステンレスシャフト鋼や軽量化が要求されるアルミ
ニウム合金などのシャフトを備えたモータに本トルクセ
ンサを構成し得る。 ノイズに強い高出力の引張センサが構成し得る。
【図１】本発明の回転ぶれを検出する磁歪式歪センサの
構成図である。
構成図である。
【図２】本発明のトルクを検出する磁歪式歪トルクの構
成図である。
成図である。
【図３】本発明の引張り力を検出する磁歪式歪センサの
構成図である。
構成図である。
１ 磁歪膜 ２ 回転軸 ３ コイル ４ 力伝達軸
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−20678（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−61730（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−56835（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 1/12 G01L 3/10
Claims (2)
- 【請求項１】力伝達部材の表面に逆磁歪効果を有する磁
性膜を真空技術により形成し、その周囲に配置したコイ
ルにより前記力伝達部材の表面に発生する歪みに基づく
前記磁性膜の透磁率の変化をコイルのインピーダンス変
化としてとらえ、前記力伝達部材の表面に発生した歪み
を検出する歪みセンサであって、前記磁性膜はその熱膨
張係数が力伝達軸の熱膨張係数より小さく、かつ、磁歪
定数が負の値を示すものであることを特徴とする磁歪式
歪センサ。 - 【請求項２】前記磁性膜の材質がＦｅ含有量０〜１５Wt
％と残部Ｎｉからなる合金、Ｎｉ含有量５５Wt％以上を
含むＣｏ合金またはＣｏのいずれかであることを特徴と
する磁歪式歪センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18458492A JP3166937B2 (ja) | 1991-10-16 | 1992-06-17 | 磁歪式歪センサ |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3-298424 | 1991-10-16 | ||
| JP29842491 | 1991-10-16 | ||
| JP18458492A JP3166937B2 (ja) | 1991-10-16 | 1992-06-17 | 磁歪式歪センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05187934A JPH05187934A (ja) | 1993-07-27 |
| JP3166937B2 true JP3166937B2 (ja) | 2001-05-14 |
Family
ID=26502574
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18458492A Expired - Fee Related JP3166937B2 (ja) | 1991-10-16 | 1992-06-17 | 磁歪式歪センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3166937B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2587862B (en) * | 2019-06-18 | 2023-07-12 | Trainor Jim Ltd | Pair of foot rollers |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19813459A1 (de) | 1998-03-26 | 1999-09-30 | Mettler Toledo Gmbh | Elastisch verformbares Bauteil und Verfahren zu seiner Herstellung |
-
1992
- 1992-06-17 JP JP18458492A patent/JP3166937B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2587862B (en) * | 2019-06-18 | 2023-07-12 | Trainor Jim Ltd | Pair of foot rollers |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05187934A (ja) | 1993-07-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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