JP4569764B2 - Stress detector - Google Patents

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Description

本発明は、例えば各種機械部品に働く応力の検出技術に係わり、さらに具体的には、磁歪の逆効果を利用して、磁歪を有する部材に作用する応力を検出することができる応力検出装置に関するものである。また、回転軸等において、非接触にても応力を検出を可能にする応力検出装置に関するものである。
The present invention relates to a technique for detecting stress acting on various machine parts, for example, and more specifically, to a stress detection apparatus capable of detecting stress acting on a member having magnetostriction by utilizing the inverse effect of magnetostriction. Is. In addition, the present invention relates to a stress detection device that can detect stress even in a non-contact manner on a rotating shaft or the like.

例えば、自動車における足回りの軸力を、廉価で、ロバスト性に優れたセンサによって検知することができれば、新たな車輌制御の実現につながる可能性があるため、廉価で小型な応力センサの潜在的な要望は少なくないものと考えられる。しかし、そのようなセンサの候補が見当たらないのが現状である。   For example, if the axle force of an undercarriage in an automobile can be detected by an inexpensive and highly robust sensor, it may lead to the realization of new vehicle control. It is thought that there are many requests. However, there are currently no such sensor candidates.

弾性を有する部材にかか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が、自動車等の足回りのリンクの軸力(引張、圧縮力)をモニターするためには、ロバスト性が要求されることから、歪ゲージによる方法は適しているとは言えない。
一方、応力センサとして、磁歪を利用したセンサの提案がなされているが、実用化されているものはないようである(例えば、非特許文献1参照)。
I.J.Garshelis:SAE,Paper No.910856,1991
As a method of detecting the stress applied to the elastic member, a method of attaching a strain gauge is generally well known, but in order to monitor the axial force (tensile and compressive force) of a link around an automobile or the like Since the robustness is required, the strain gauge method is not suitable.
On the other hand, as a stress sensor, a sensor using magnetostriction has been proposed, but none seems to be put into practical use (for example, see Non-Patent Document 1).
I. J. et al. Garshelis: SAE, Paper No. 910856, 1991

すなわち、図10は、上記非特許文献1により提案されている磁歪の逆効果を利用した応力センサの説明図であって、図10(a)において、PMは永久磁石、FSは磁気センサであり、中央に位置するコアは磁歪を有している。永久磁石PMはコアを矢印で示す方向に磁化する。永久磁石PMの磁束は図のように分布し、コアをも通っている。
コアに引張応力が働くと、永久磁石PMからの磁束がコアをより多く通るようになるために、磁気センサFSを通過する磁束が減少する。一方、コアに圧縮応力が作用すると、磁束はコアを通り難くなるため、センサFSを通過する磁束が増加する。このようにして、磁気センサFSからの信号の大きさはコアに働く応力の大きさを反映することになる。
That is, FIG. 10 is an explanatory diagram of a stress sensor using the inverse effect of magnetostriction proposed by Non-Patent Document 1 above. In FIG. 10A, PM is a permanent magnet, and FS is a magnetic sensor. The core located at the center has magnetostriction. Permanent magnet PM magnetizes the core in the direction indicated by the arrow. The magnetic flux of the permanent magnet PM is distributed as shown in the figure and also passes through the core.
When tensile stress is applied to the core, the magnetic flux from the permanent magnet PM passes through the core more, so the magnetic flux passing through the magnetic sensor FS decreases. On the other hand, when compressive stress is applied to the core, the magnetic flux becomes difficult to pass through the core, so that the magnetic flux passing through the sensor FS increases. In this way, the magnitude of the signal from the magnetic sensor FS reflects the magnitude of the stress acting on the core.

以上が提案されている応力センサの原理であり、磁束を発生させるのに電源がいらない点が特徴である。上記磁気センサFSの位置としては、図10(c)に示されているように、A又はBの位置でもよいことが述べられている。
引張応力と圧縮応力では、磁気センサFSの信号の変化の仕方は、圧縮の方が大きく、そのセンサの定格の範囲において、圧縮にて30から80%の変化があることがデータで示されている。
The above is the principle of the proposed stress sensor, which is characterized in that no power source is required to generate magnetic flux. It is stated that the position of the magnetic sensor FS may be the position of A or B as shown in FIG.
In tensile stress and compressive stress, the data shows that the change in the signal of the magnetic sensor FS is greater in compression, and there is a change of 30 to 80% in compression within the rated range of the sensor. Yes.

しかしながら、上記提案においては、パイプ状のコアの中に円筒状のアルニコ磁石を配置し、パイプの表面に、ホール素子を置いてデータが取られており、原理確認段階の域にあり、上記したように、実用化段階の提案とは言えない。   However, in the above proposal, the cylindrical alnico magnet is arranged in the pipe-shaped core, and the Hall element is placed on the surface of the pipe, and the data is taken. Thus, it cannot be said that it is a proposal at the practical application stage.

本発明は、従来の応力センサにおける上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、磁歪の逆効果を利用した応力センサを実用化し、ロバスト性に優れた、廉価な応力検出装置を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above-described problems in conventional stress sensors, and the object of the present invention is to put into practical use a stress sensor utilizing the inverse effect of magnetostriction, and to provide an inexpensive stress excellent in robustness. It is to provide a detection device.

本発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討した結果、表面に多数の平行溝を設けた軸材を周方向着磁すると、溝間の山部が長手方向に着磁されると共に、このような軸材が応力センサとして使用することによって、良好なセンサ特性が得られることを見出し、本発明を完成するに到った。   As a result of diligent investigations aimed at solving the above problems, the present inventors have magnetized a shaft member having a large number of parallel grooves on its surface in the circumferential direction, and the peaks between the grooves are magnetized in the longitudinal direction. As a result, it has been found that good sensor characteristics can be obtained by using such a shaft material as a stress sensor, and the present invention has been completed.

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の応力検出装置は、着磁された第1の磁性体と、磁歪を有する第2の磁性体と、この第2の磁性体に応力が作用することによって、第1の磁性体から発生し第2の磁性体を通ることなく第2の磁性体外の空間に流れる空間磁束が変化するのを検知する空間磁束検出手段を備えたものであって、上記第1の磁性体が第2の磁性体に一体化されて第2の磁性体の一部を成し、第2の磁性体の長手方向に対して0度以上90度未満の角度を成す複数の溝又は突条部を平行に形成して成る帯状の凹凸部であって、当該凹凸部の溝間部分又は突条部がその長手方向に着磁されていることを特徴としている。
The present invention is based on the above knowledge, and the stress detection device of the present invention includes a magnetized first magnetic body, a second magnetic body having magnetostriction, and stress applied to the second magnetic body. It is provided with a spatial magnetic flux detection means that detects a change in the spatial magnetic flux generated from the first magnetic body and flowing in the space outside the second magnetic body without passing through the second magnetic body. The first magnetic body is integrated with the second magnetic body to form a part of the second magnetic body, and an angle of 0 degree or more and less than 90 degrees with respect to the longitudinal direction of the second magnetic body A plurality of grooves or ridges that are formed in parallel, and are characterized in that the inter-groove portions or ridges of the concavo-convex parts are magnetized in the longitudinal direction . .

着磁された第1の磁性体と磁歪を有する第2の磁性体を接近させて配置すると、第1の磁性体から出ている磁束が第2の磁性体を通る内部磁束と、この第2の磁性体外の空間に流れる空間磁束と分配されて流れ、第2の磁性体に応力が働くと、第2の磁性体を通る内部磁束の量が変化し、その結果上記空間を流れる空間磁束の量が変化するので、この空間磁束の変化を磁気センサなどの空間磁束検出手段、さらに具体的には、ホール素子やホールICなどによって検知することによって、上記第2の磁性体に作用する応力を検出することができる。
本発明によれば、第1の磁性体と第2の磁性体を一体化するようにしているので、部品点数の少ないコンパクトで安価な装置が実現できる。特に、第2の磁性体を軸状のものとすることによって、回転状態における応力検出も可能となってその有用性を飛躍的に向上させることができる。
When the magnetized first magnetic body and the second magnetic body having magnetostriction are placed close to each other, the magnetic flux emitted from the first magnetic body passes through the second magnetic body, and the second magnetic body. When the stress is applied to the second magnetic body, the amount of the internal magnetic flux passing through the second magnetic body changes, and as a result, the spatial magnetic flux flowing through the space flows. Since the amount of the magnetic flux changes, the change in the spatial magnetic flux is detected by a spatial magnetic flux detection means such as a magnetic sensor, more specifically by a Hall element or a Hall IC. Can be detected.
According to the present invention, since the first magnetic body and the second magnetic body are integrated, a compact and inexpensive apparatus with a small number of parts can be realized. In particular, by using the second magnetic body as a shaft, it is possible to detect stress in a rotating state, and the usefulness thereof can be greatly improved.

以下、本発明の応力検出装置について、その実施の具体的形態と共にさらに詳細に説明する。
Hereinafter, the stress detection apparatus of the present invention will be described in more detail together with specific embodiments thereof.

本発明の応力検出装置は、基本的に、上記第1の磁性体と第2の磁性体を一体化し、第1の磁性体が第2の磁性体の一部を成しているものを使用する、このような第2の磁性体を軸状のものとすることも可能である。 The stress detection device of the present invention basically uses the first magnetic body and the second magnetic body, and the first magnetic body forms part of the second magnetic body. to, it is possible to make such a second magnetic body and that of the axial.

すなわち、本発明の応力検出装置は、例えば図1(a)に示すような構造を有し、磁歪を有する軸1(第2の磁性体)を備え、軸1の図中央部には、当該軸1の中心軸方向に対して45度をなす複数の溝2aが平行に形成してあり、これら溝2aとこれらの間に残存する溝間部分が山部2bとなり、これら溝2aと山部2bとによって凹凸部2が帯状に形成されている。
なお、図において溝2aは、45度の螺旋状であるからして、正確にはS字状に表されるべきものであるが、作図の便宜上、概略的に直線として表してある。
That is, the stress detection apparatus of the present invention has a structure as shown in FIG. 1A, for example, and includes a shaft 1 (second magnetic body) having magnetostriction. A plurality of grooves 2a forming 45 degrees with respect to the direction of the central axis of the shaft 1 are formed in parallel, and the grooves 2a and the inter-groove portions remaining between them become ridges 2b, and these grooves 2a and ridges The uneven portion 2 is formed in a band shape by 2b.
In the drawing, since the groove 2a has a 45 degree spiral shape, it should be accurately expressed in an S shape, but is schematically represented as a straight line for the convenience of drawing.

上記軸1に、図1(b)に示すように、図中の右側から大電流を流すと、軸1は、図中に矢印で示すように、周方向に着磁される。ところが、凹凸部2においては、溝2aがあるため(空間なので)、山部2bは周方向に着磁されることなく、山部2bの長手方向、すなわち軸方向に対して45度方向に着磁される。
つまり、軸1の周方向に着磁すると、山部2bの側面に極が現われるため、反磁場が発生し、磁化方向が山部2bの長手方向に向くためである(形状効果、あるいは形状磁気異方性)。したがって、山部2bにおける着磁状態は、図1(c)に示すようなものとなり、当該山部2bが第1の磁性体として機能することになる。
When a large current is applied to the shaft 1 from the right side in the drawing as shown in FIG. 1B, the shaft 1 is magnetized in the circumferential direction as indicated by an arrow in the drawing. However, in the concavo-convex portion 2, since there is a groove 2 a (because it is a space), the peak portion 2 b is not magnetized in the circumferential direction, and is polarized in the direction of 45 degrees with respect to the longitudinal direction of the peak portion 2 b, that is, the axial direction. Magnetized.
That is, when magnetized in the circumferential direction of the shaft 1, a pole appears on the side surface of the peak portion 2b, so that a demagnetizing field is generated and the magnetization direction is directed to the longitudinal direction of the peak portion 2b (shape effect or shape magnetism). anisotropy). Therefore, the magnetized state in the peak portion 2b is as shown in FIG. 1C, and the peak portion 2b functions as the first magnetic body.

図1(a)において、符号3は、空間磁束検出手段としての磁気センサであって、具体的にはホールセンサが用いられる。
磁気センサ3としては、上記したホールセンサの他には、省電力で小型なホールICやMIセンサなどを使用することができるが、検出感度を大きくする観点から、図に示すように、凹凸部2の端部に近い位置に配置することによって、径方向の磁束を検知するようになすことが望ましい(図2参照)。なお、ここでいうホールICは、リニア出力タイプのものである。
In FIG. 1A, reference numeral 3 denotes a magnetic sensor as a spatial magnetic flux detection means, and specifically, a Hall sensor is used.
As the magnetic sensor 3, in addition to the Hall sensor described above, a power-saving and small Hall IC or MI sensor can be used. From the viewpoint of increasing the detection sensitivity, as shown in FIG. It is desirable that the magnetic flux in the radial direction is detected by disposing it at a position close to the end portion 2 (see FIG. 2). The Hall IC here is of a linear output type.

図2は、凹凸部2の山部2bを長手方法に切った断面を示し、山部2bは図の矢印のように磁化(着磁)していており、磁束は軸内部と軸外の空間に漏れている。
なお、図1(c)に示す「+」はN極を、「−」はS極が現われていることを示している。
FIG. 2 shows a cross section obtained by cutting the crest 2b of the concavo-convex portion 2 in a longitudinal direction. The crest 2b is magnetized (magnetized) as indicated by the arrows in the figure, and the magnetic flux is a space inside and outside the axis. Is leaking.
Note that “+” shown in FIG. 1C indicates the N pole, and “−” indicates that the S pole appears.

上記軸1に、軸方向の引張応力が働くと、軸1を通る磁束が増える(磁束が軸の内部を通り易くなる)から、外に漏れる空間磁束が減り、したがって磁気センサ3を通過する磁束が減ることになる。なお、これは、磁歪が正の場合の説明であって(以下、同様とする)、磁歪が負の場合は逆となる。
一方、軸1に圧縮応力が働くと、軸1を通る磁束が減る(磁束が軸の内部を通り難くなる)ことから、外に漏れる空間磁束が増え、磁気センサ3を通過する磁束が増える。したがって、応力に対応した磁気センサ3の信号が得られることになる。
When an axial tensile stress is applied to the shaft 1, the magnetic flux passing through the shaft 1 increases (the magnetic flux easily passes through the shaft), so that the spatial magnetic flux leaking to the outside decreases, and therefore the magnetic flux passing through the magnetic sensor 3. Will be reduced. This is an explanation when the magnetostriction is positive (hereinafter the same), and the opposite is true when the magnetostriction is negative.
On the other hand, when compressive stress is applied to the shaft 1, the magnetic flux passing through the shaft 1 decreases (the magnetic flux becomes difficult to pass through the shaft), so that the spatial magnetic flux leaking to the outside increases and the magnetic flux passing through the magnetic sensor 3 increases. Therefore, the signal of the magnetic sensor 3 corresponding to the stress is obtained.

このような構造を有する本発明の応力検出装置においては、磁気センサ3を軸1に接触させる必要がないので、非接触状態で、軸力(引張、圧縮応力)の検知が可能である。
また、応力が作用する第2の磁性体を軸状のものとしたことによって、回転状態での軸力(引張、圧縮応力)の測定も可能となる。
In the stress detection device of the present invention having such a structure, since it is not necessary to bring the magnetic sensor 3 into contact with the shaft 1, it is possible to detect axial force (tensile and compressive stress) in a non-contact state.
In addition, the axial force (tensile and compressive stress) in the rotating state can be measured by using the second magnetic body on which the stress acts as a shaft.

磁気センサ3の裏側(反軸側)には、図3(a)及び(b)に示すように、珪素鋼板、電磁軟鉄、ソフトフェライト、パーマロイなど、保磁力の小さいソフト磁性材料から成るヨーク5を配設することもできる。
このようなヨーク5を用いることによって、外部からの電磁雑音に対して耐性が向上することになると共に、磁気センサ3の信号の大きさを倍程度に増やすことが可能となる。
As shown in FIGS. 3A and 3B, a yoke 5 made of a soft magnetic material having a small coercive force, such as a silicon steel plate, electromagnetic soft iron, soft ferrite, or permalloy, is provided on the back side (on the opposite axis side) of the magnetic sensor 3. Can also be provided.
By using such a yoke 5, resistance against external electromagnetic noise is improved, and the magnitude of the signal of the magnetic sensor 3 can be increased by a factor of about two.

また、図4に示すように、2個の磁気センサ3及び4を使用することもできる。すなわち、上記磁気センサ3に加えて第2の磁気センサ4を軸方向に並べ、これらを上記凹凸部2の両端近傍位置にそれぞれ配置することが望ましい。この場合、第2の磁気センサ4については、センサ感度のセンスが逆になるので、減算することによって2つのセンサ信号が加算されて2倍にすることができる。
このように2個のセンサ3,4を配置することによって、外部からのほぼ一様な磁場が印加されても、同相の入力となるから、引き算でキャンセルすることができ、外乱に対する耐性が向上する。
Also, as shown in FIG. 4, two magnetic sensors 3 and 4 can be used. That is, it is desirable to arrange the second magnetic sensor 4 in the axial direction in addition to the magnetic sensor 3 and to dispose these at positions near both ends of the concavo-convex portion 2. In this case, since the sensor sensitivity sense is reversed for the second magnetic sensor 4, the two sensor signals can be added and doubled by subtraction.
By arranging the two sensors 3 and 4 in this way, even if an almost uniform magnetic field from the outside is applied, the input is in-phase, so that it can be canceled by subtraction, and resistance to disturbance is improved. To do.

そして、図5に示すように、溝部2aの傾斜方向を相反するようにした凹凸部2を軸1の2箇所に接近させて配置するようになすこともでき、この場合、磁気センサ3の信号の大きさを倍にすることができる。   And as shown in FIG. 5, the uneven | corrugated | grooved part 2 made to oppose the inclination direction of the groove part 2a can also be made to approach two places of the axis | shaft 1, and in this case, the signal of the magnetic sensor 3 can be arranged. The size of can be doubled.

さらに、以上の説明からも明らかなように、上記凹凸部2における溝2aの角度は、必ずしも45度である必要はなく、図6に示すように任意の角度をとることができる。
また、凹凸部2には、溝2aを形成する代りに、図7に示すように、軸1の表面に螺旋状の突条部2cを形成して、はす歯歯車のような形状とすることも可能である。この場合にはこの突条部2cがその長手方向に沿って着磁されることになる(第1の磁性体)。
Furthermore, as is clear from the above description, the angle of the groove 2a in the concavo-convex portion 2 does not necessarily need to be 45 degrees, and can be any angle as shown in FIG.
Further, instead of forming the groove 2a in the concavo-convex portion 2, as shown in FIG. 7, a spiral protrusion 2c is formed on the surface of the shaft 1 so as to have a shape like a helical gear. It is also possible. In this case, the protrusion 2c is magnetized along the longitudinal direction (first magnetic body).

なお、上記説明においては、磁歪を有する第2の磁性体として、軸状を成すものを用いた例を示したが、図8(a)及び(b)に示すように、板状の磁性体10であっても応力検出装置として機能することは言うまでもない。
図に示すように、溝2aを平行に形成した状態で、図中の矢印方向に大電流を流して、着磁することによって、溝間部分2bが着磁され、当該応力検出装置における第1の磁性体として機能する。
In the above description, an example in which a second magnetic body having magnetostriction has a shaft shape is used. However, as shown in FIGS. 8A and 8B, a plate-shaped magnetic body is used. It goes without saying that even if it is 10, it functions as a stress detection device.
As shown in the figure, with the grooves 2a formed in parallel, a large current is passed in the direction of the arrow in the figure to magnetize, so that the inter-groove portion 2b is magnetized, and the first stress detecting device in the first embodiment It functions as a magnetic material.

磁歪を有する第2の磁性体の材料としては、着磁部を一体で保有する関係もあり、着磁状態を安定的に保つことが望まれる。
したがって、このような磁性材料としては、析出硬化処理や焼入・焼戻しなどの熱処理を施した鋼、浸炭、表面窒化、高周波焼入・焼戻しといった表面処理を施した鋼が好適である。これら鋼は、一般に、20から数十Oe程度の保磁力を有するからである。
As the material of the second magnetic body having magnetostriction, there is a relationship in which the magnetized portion is integrally held, and it is desired to stably maintain the magnetized state.
Therefore, as such a magnetic material, steel subjected to heat treatment such as precipitation hardening or quenching / tempering, and steel subjected to surface treatment such as carburization, surface nitriding, induction quenching / tempering are suitable. This is because these steels generally have a coercive force of about 20 to several tens of Oe.

また、応力に対するヒステリシスは少ないことが望まれるので、上記材料は適切な工程を経る必要がある。すなわち、機械加工後、熱処理工程を入れたり、熱処理後、不均一な残留応力が入らないように機械加工を行なったりすることが望ましい。なお、塑性変形を引き起こすような大きな応力が加わると、不均一な残留応力分布をもたらし、ヒステリシスの増大につながるので、塑性加工は避けるべきである。
周方向に着磁することも、有効な手段と言うことができる。すなわち、周方向に向いている磁化が多いことが、ヒステリシス低減に効いているものと考えられる。また、周方向に着磁することのメリットは、引張、圧縮の感度が同じようになることである(応力磁気効果は、一般的には圧縮の方が大きい)。この理由も同じであるものと推定される。
Moreover, since it is desired that the hysteresis with respect to the stress is small, the material needs to undergo an appropriate process. In other words, it is desirable to perform a heat treatment step after machining, or to perform machining so that non-uniform residual stress does not enter after heat treatment. In addition, if a large stress causing plastic deformation is applied, a non-uniform residual stress distribution is brought about, leading to an increase in hysteresis, so plastic working should be avoided.
Magnetizing in the circumferential direction can also be said to be an effective means. That is, it is considered that a large amount of magnetization directed in the circumferential direction is effective in reducing hysteresis. The merit of magnetizing in the circumferential direction is that the sensitivity of tension and compression is the same (the stress magnetic effect is generally greater in compression). It is estimated that this reason is the same.

なお、軸材に通電すると、電流密度が一様な場合には、周方向磁界の大きさは、軸内では半径に比例した大きさになり、軸外では、中心からの距離に反比例して減衰する。
一般に、軸材料の持つ保磁力の大きさの2倍以上の磁界がかかった部分が概ね着磁されることになる。したがって、十分な大きさの電流を流した場合、表面を含めた円筒領域においては、確実に周方向に着磁されることになる。なお、溝付軸の場合、溝底部分は周方向に着磁されている。
When the shaft material is energized, when the current density is uniform, the magnitude of the circumferential magnetic field is proportional to the radius inside the shaft and inversely proportional to the distance from the center outside the shaft. Attenuates.
In general, a portion to which a magnetic field twice or more as large as the coercive force of the shaft material is applied is generally magnetized. Therefore, when a sufficiently large current is passed, the cylindrical region including the surface is surely magnetized in the circumferential direction. In the case of a grooved shaft, the groove bottom portion is magnetized in the circumferential direction.

また、第2の磁性体に負荷される応力が大きい方が出力信号が大きくなるので、軸の場合には中空軸とした方が感度の増大には好都合である。なお、溝部を設けた場合には、溝底径が、応力を決めているので、その分、感度の増大を図ることができる。   In addition, since the output signal is larger when the stress applied to the second magnetic body is larger, the hollow shaft is more convenient for increasing the sensitivity in the case of the shaft. In the case where the groove portion is provided, since the groove bottom diameter determines the stress, the sensitivity can be increased accordingly.

なお、上記の例では、着磁を通電で行なっているが、要は山部(溝間部分)がその長手方向に着磁されていればよいので、別の手段で着磁することも可能である。
図7に示したように突状部2cを形成した場合などは、特に突状部のみを着磁すること(突条部のみに長手方向に着磁を残すこと)が容易となる。
In the above example, the magnetization is performed by energization. However, since the peak portion (inter-groove portion) only needs to be magnetized in the longitudinal direction, it can be magnetized by another means. It is.
When the protrusion 2c is formed as shown in FIG. 7, for example, it is easy to magnetize only the protrusion (leaving only the protrusion in the longitudinal direction).

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.

(実施例1)
第2の磁性体の材料として、マルエージング鋼(日立金属(株)製商品名YAG300、18%Ni−9%Co−5%Mo−Fe)を用いて、図5に示すように、軸径D=19mmの軸1を機械加工によって作製した。
次に、1mm径のエンドミルを用いて、上記軸1の2個所に、軸方向に45度方向に傾いた溝2aを周方向に20本、1mm幅、1.5mm深さに形成し、凹凸部2,2とした。なお、20本の螺旋溝2aが形成された凹凸部2,2の幅は、それぞれ11mmとした(エンドミルのセンター間の距離は10mm)。なお、両凹凸部2,2の間の距離は1mmであった(エンドミルのセンター間距離は2mm)。
Example 1
As the material of the second magnetic body, using maraging steel (trade name YAG300, manufactured by Hitachi Metals, Ltd., 18% Ni-9% Co-5% Mo-Fe), as shown in FIG. A shaft 1 with D = 19 mm was produced by machining.
Next, by using an end mill having a diameter of 1 mm, 20 grooves 2a inclined in the direction of 45 degrees in the axial direction are formed in two locations on the shaft 1 in the circumferential direction so as to have a width of 1 mm and a depth of 1.5 mm. Parts 2 and 2. Note that the widths of the concavo-convex portions 2 and 2 in which the 20 spiral grooves 2a were formed were 11 mm each (the distance between the centers of the end mills was 10 mm). In addition, the distance between both uneven | corrugated | grooved parts 2 and 2 was 1 mm (distance between centers of an end mill is 2 mm).

これら機械加工の後、固溶化および時効熱処理を施した。固溶化処理は真空中にて820℃×1h、時効処理は真空中にて490℃×5h保持し、その後空冷した。
次いで、得られた軸1に10000Aの電流を通じることによって着磁した。
After these machining processes, solution treatment and aging heat treatment were performed. The solution treatment was held at 820 ° C. × 1 h in vacuum, the aging treatment was held at 490 ° C. × 5 h in vacuum, and then air-cooled.
Next, the obtained shaft 1 was magnetized by passing a current of 10,000 A.

そして、図5に示すように、凹凸部2,2の中間位置に、ホールセンサ3を配置し、軸1に引張及び圧縮応力を印加した時のホールセンサ3の出力を調べた。その結果を図9に示す。なお、ホールセンサ3の感磁エリアは約2mmであり、エリアの中心位置を軸1の表面から約0.5mmとした。ホールセンサ3は径方向の磁界を検知することになる。
ホールセンサ3の出力は引張応力により減少、圧縮応力によって増加し、±40MPaの応力負荷に対して、ヒステリシスのほとんどない特性が得られることが確認された。
Then, as shown in FIG. 5, the Hall sensor 3 was arranged at an intermediate position between the concavo-convex portions 2 and 2, and the output of the Hall sensor 3 when tensile and compressive stress was applied to the shaft 1 was examined. The result is shown in FIG. The magnetic sensitive area of the hall sensor 3 was about 2 mm 2 , and the center position of the area was about 0.5 mm from the surface of the shaft 1. The Hall sensor 3 detects a radial magnetic field.
It was confirmed that the output of the Hall sensor 3 decreased due to the tensile stress and increased due to the compressive stress, and a characteristic having almost no hysteresis was obtained with respect to a stress load of ± 40 MPa.

なお、応力0におけるデータがないが、これは当該実施例に用いた試験機の都合による。すなわち、引張応力と圧縮応力を連続的に負荷するようにした当該試験機においては、ガタが発生して、連続的な出力が取れなかったことによるものであって、ガタの発生が防止できるように装置に工夫を加えることによって解消できるものと考えられる。
また、応力負荷範囲が狭いが、これも試験機の都合によるもので、容量の大きな試験機を用いれば、応力範囲を容易に拡大することができる。
There is no data for stress 0, but this is due to the convenience of the testing machine used in this example. That is, in the test machine in which tensile stress and compressive stress are continuously applied, play is generated and continuous output cannot be obtained, so that play can be prevented. It is thought that this problem can be solved by modifying the device.
Moreover, although the stress load range is narrow, this is also due to the convenience of the testing machine. If a testing machine with a large capacity is used, the stress range can be easily expanded.

磁歪の逆効果を用いた応力センサの場合には、軸1がミクロな降伏を起こすとヒステリシスが現われてしまうことから、負荷応力が軸1を構成する磁性材料の降伏応力の半分程度以下であれば、再現性のよい特性が得られることになる。
当該実施例においては、軸1の材料として用いた上記マルエージング鋼の降伏応力は2GPaを超えることから、少なくとも1GPa程度までは、十分に再現性の良いデータが得られるものと考えられる。
In the case of a stress sensor using the inverse effect of magnetostriction, hysteresis appears when the shaft 1 undergoes micro-yield, so the load stress should be about half or less of the yield stress of the magnetic material constituting the shaft 1. In this case, characteristics with good reproducibility can be obtained.
In this example, since the yield stress of the maraging steel used as the material of the shaft 1 exceeds 2 GPa, it is considered that sufficiently reproducible data can be obtained up to at least about 1 GPa.

(実施例2)
第2の磁性体の材料として、上記マルエージング鋼を使用して、上記同様に、軸径D=19mmの軸1を機械加工によって作製した。
次に、実施例1と同様に軸方向に45度傾いた20本の溝2aを備えた凹凸部2を、図1に示すように、上記軸1の1個所に形成し、同様の熱処理を施し、さらに10000Aの通電による着磁を実施した。
(Example 2)
Using the maraging steel as the material of the second magnetic body, the shaft 1 having a shaft diameter D = 19 mm was produced by machining as described above.
Next, as shown in FIG. 1, the concavo-convex portion 2 having 20 grooves 2a inclined at 45 degrees in the axial direction is formed at one location of the shaft 1 as in Example 1, and the same heat treatment is performed. Further, magnetization was performed by energization of 10,000 A.

そして、図1に示す位置にホールセンサ3を配置し、軸1に応力を負荷した時のホールセンサ3からの出力を同様に調査した。その結果、±40MPaの応力負荷に対して、ヒステリシスのほとんどない特性が得られることが確認された。なお、感度は、図9に示した実施例の場合の半分程度であった。   And the hall sensor 3 was arrange | positioned in the position shown in FIG. 1, and the output from the hall sensor 3 when stress was applied to the axis | shaft 1 was investigated similarly. As a result, it was confirmed that a characteristic having almost no hysteresis was obtained with respect to a stress load of ± 40 MPa. The sensitivity was about half that of the embodiment shown in FIG.

(実施例3)
軸1の材料として、JIS G4051に規定される機械構造用炭素鋼S45Cを用いると共に、熱処理として高周波焼入れを施し、次いで170℃×1時間の焼戻し処理を行ったこと以外は、上記実施例2と同じ操作を繰り返すことによって得られた軸1を用いて、同様の条件のもとにホールセンサ3の出力特性を同様に調査した。
なお、上記熱処理の狙いとしては、焼戻し後の表面硬さをHRC50以上、HRC45以上となる有効硬化層深さを0.8mm狙いとし、焼き戻し後の表面硬さ及び硬化層深さは、狙い条件を満足していた。
(Example 3)
Example 2 except that carbon steel for mechanical structure S45C specified in JIS G4051 is used as the material of the shaft 1, induction hardening is performed as heat treatment, and then tempering treatment is performed at 170 ° C. × 1 hour. Using the shaft 1 obtained by repeating the same operation, the output characteristics of the Hall sensor 3 were similarly investigated under the same conditions.
In addition, as the aim of the heat treatment, the surface hardness after tempering is HRC50 or more, the effective hardened layer depth that becomes HRC45 or more is aimed at 0.8 mm, and the surface hardness and the hardened layer depth after tempering are aimed. The condition was satisfied.

上記の結果、ヒステリシスのほとんどない特性が得られた。なお、感度としては、若干劣るレベルであることが確認された。   As a result, a characteristic having almost no hysteresis was obtained. It was confirmed that the sensitivity was slightly inferior.

(a)本発明による応力検出装置の実施形態の一例を示す説明図である。(b)軸方向に通電したときの着磁方向を示す説明図である。(c)凹凸部の溝間部分における着磁状態を示す拡大説明図である。(A) It is explanatory drawing which shows an example of embodiment of the stress detection apparatus by this invention. (B) It is explanatory drawing which shows the magnetization direction when it supplies with electricity to an axial direction. (C) It is an expanded explanatory view which shows the magnetization state in the groove part of an uneven part. 凹凸部の溝間部分における着磁状態を示す断面説明図である。It is sectional explanatory drawing which shows the magnetization state in the groove part of an uneven | corrugated | grooved part. 磁気センサの背後にヨークを配設した他の実施形態を示す正面図(a)及び平面図(b)である。It is the front view (a) and top view (b) which show other embodiment which has arrange | positioned the yoke behind the magnetic sensor. 磁気センサを2個配設した実施形態例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of an embodiment which has arrange | positioned two magnetic sensors. 凹凸部を軸の2個所に形成した実施形態例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of embodiment which formed the uneven | corrugated | grooved part in two places of the axis | shaft. 凹凸部における溝の傾斜角度が異なる実施形態例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows embodiment example from which the inclination angle of the groove | channel in an uneven | corrugated | grooved part differs. 凹凸部の溝に代えて突条部を形成した実施形態例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of embodiment which replaced with the groove | channel of the uneven | corrugated | grooved part and formed the protrusion part. 軸状磁性体に代えて板状磁性体を用いた実施形態例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of an embodiment using a plate-shaped magnetic body instead of the shaft-shaped magnetic body. 本発明の実施例1によって得られた出力特性データを示すグラフである。It is a graph which shows the output characteristic data obtained by Example 1 of this invention. (a)〜(c)は従来の応力センサの構造及び原理を示す説明図である。(A)-(c) is explanatory drawing which shows the structure and principle of the conventional stress sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 軸(第2の磁性体)
2 凹凸部
2a 溝
2b 山部(溝間部分:第1の磁性体)
2c 突条部(第1の磁性体)
3,4 磁気センサ(空間磁束検出手段)
5 ヨーク
1 axis (second magnetic body)
2 Concave and convex portions 2a Groove 2b Mountain portion (inter-groove portion: first magnetic body)
2c Projection (first magnetic body)
3,4 Magnetic sensor (space magnetic flux detection means)
5 York

Claims (14)

着磁された第1の磁性体と、磁歪を有する第2の磁性体と、この第2の磁性体に応力が作用することによって、第1の磁性体から発生し第2の磁性体を通ることなく第2の磁性体外の空間に流れる空間磁束が変化するのを検知する空間磁束検出手段を備え、
上記第1の磁性体が第2の磁性体に一体化されて第2の磁性体の一部を成し、第2の磁性体の長手方向に対して0度以上90度未満の角度を成す複数の溝又は突条部を平行に形成して成る帯状の凹凸部であって、当該凹凸部の溝間部分又は突条部がその長手方向に着磁されていることを特徴とする応力検出装置。
The first magnetic body magnetized, the second magnetic body having magnetostriction, and the stress acting on the second magnetic body causes the first magnetic body to generate and pass through the second magnetic body. A spatial magnetic flux detection means for detecting the change of the spatial magnetic flux flowing in the space outside the second magnetic body without any change,
The first magnetic body is integrated with the second magnetic body to form a part of the second magnetic body, and forms an angle of 0 degree or more and less than 90 degrees with respect to the longitudinal direction of the second magnetic body. Stress detection characterized in that it is a strip-shaped uneven part formed by forming a plurality of grooves or protrusions in parallel, and the inter-groove part or protrusions of the uneven part are magnetized in the longitudinal direction apparatus.
上記第2の磁性体が軸状を成し、上記溝又は突条部が軸方向に対して上記角度を成していることを特徴とする請求項に記載の応力検出装置。 The stress detection device according to claim 1 , wherein the second magnetic body has an axial shape, and the groove or the ridge portion forms the angle with respect to an axial direction . 上記溝又は突条部が軸方向に対して45度の角度を成していることを特徴とする請求項に記載の応力検出装置。 The stress detecting device according to claim 2 , wherein the groove or the ridge portion forms an angle of 45 degrees with respect to the axial direction. 軸状を成す第2の磁性体が周方向に着磁されていると共に、上記空間磁束検出手段が帯状凹凸部に近接して配置されていることを特徴とする請求項に記載の応力検出装置。 4. The stress detection according to claim 3 , wherein the second magnetic body having an axial shape is magnetized in the circumferential direction, and the spatial magnetic flux detecting means is disposed in the vicinity of the belt-shaped uneven portion. apparatus. 軸状を成す第2の磁性体が上記帯状凹凸部を相近接して2箇所に備えていることを特徴とする請求項に記載の応力検出装置。 5. The stress detecting device according to claim 4 , wherein the second magnetic body having an axial shape has the strip-shaped uneven portions provided at two positions close to each other. 軸方向に働く引張応力及び圧縮応力を検出することを特徴とする請求項又はに記載の応力検出装置。 The stress detection apparatus according to claim 4 or 5 , wherein a tensile stress and a compressive stress acting in the axial direction are detected. 軸状を成す第2の磁性体が回転自在に保持されていることを特徴とする請求項のいずれか1つの項に記載の応力検出装置。 The stress detection device according to any one of claims 4 to 6 , wherein the second magnetic body having an axial shape is rotatably held. 上記空間磁束検出手段が帯状凹凸部の端部に配置され、径方向の磁束を検知することを特徴とする請求項のいずれか1つの項に記載の応力検出装置。 The stress detection device according to any one of claims 4 to 7 , wherein the spatial magnetic flux detection means is arranged at an end of the belt-shaped uneven portion and detects a magnetic flux in a radial direction. 第2の磁性体に対する上記空間磁束検出手段の反対側にヨークが配置されていることを特徴とする請求項のいずれか1つの項に記載の応力検出装置。 The stress detection device according to any one of claims 4 to 8 , wherein a yoke is disposed on the opposite side of the spatial magnetic flux detection means with respect to the second magnetic body. 上記ヨークがソフト磁性材料から成るものであることを特徴とする請求項に記載の応力検出装置。 The stress detection apparatus according to claim 9 , wherein the yoke is made of a soft magnetic material. 第2の磁性体が中空であることを特徴とする請求項10のいずれか1つの項に記載の応力検出装置。 The stress detection apparatus according to any one of claims 4 to 10 , wherein the second magnetic body is hollow. 上記空間磁束検出手段が磁気センサであることを特徴とする請求項11のいずれか1つの項に記載の応力検出装置。 The stress detection apparatus according to any one of claims 1 to 11 , wherein the spatial magnetic flux detection means is a magnetic sensor. 上記磁気センサがホール素子又はホールICであることを特徴とする請求項12に記載のトルク検出装置。 The torque detection device according to claim 12 , wherein the magnetic sensor is a Hall element or a Hall IC. 第2の磁性体が熱処理された鋼又は表面処理された鋼から成るものであることを特徴とする請求項13のいずれか1つの項に記載の応力検出装置。 The stress detection apparatus according to any one of claims 1 to 13 , wherein the second magnetic body is made of heat-treated steel or surface-treated steel.
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