JP5119880B2 - 磁歪式応力センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁歪の逆効果を利用して応力を検出する磁歪式応力センサに関する。

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は、応力を精度良く的確に検出して実用化を図る上では十分なものではない。

本発明は、応力を精度良く的確に検出し得る磁歪式応力センサを提供することを目的とする。

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、応力が作用する方向と、永久磁石の着磁方向との関係を所定の関係とすることによって、応力を精度良く的確に検出できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は上記知見に基づくものであり、請求項１に記載の本発明の磁歪式応力センサは、磁歪を有する磁性部材と、前記磁性部材に近接した永久磁石と、前記磁性部材に対して前記永久磁石と反対側における漏れ磁束を検知する磁気センサと、を備え、前記磁性部材に作用する応力に依存して変化する漏れ磁束の変化を前記磁気センサによって検知することによって、前記磁性部材に作用する応力を検出する磁歪式応力センサにおいて、
前記磁性部材は、応力が作用する対象部材に取り付けられる一対の脚部を含み、
前記磁性部材に作用する応力の方向と、前記永久磁石の着磁方向とが、ほぼ直交してい
ることを特徴としている。
また、請求項１１に記載の本発明の磁歪式応力センサは、磁歪を有する磁性部材と、前記磁性部材に近接した永久磁石と、前記磁性部材に対して前記永久磁石と反対側における漏れ磁束を検知する磁気センサと、を備え、前記磁性部材に作用する応力に依存して変化する漏れ磁束の変化を前記磁気センサによって検知することによって、前記磁性部材に作用する応力を検出する磁歪式応力センサにおいて、
前記磁性部材に作用する応力の方向と、前記永久磁石の着磁方向とが、ほぼ直交しており、
前記磁性部材は、軸力が作用する軸部材に軸方向と直交する方向に対をなすように隣り合うとともに作用する軸力により一方には引張応力が生じ他方には圧縮応力が生じるように設けられる第１部材と第２部材とを含み、
前記永久磁石は、第１部材と第２部材との間に配置され、
前記磁気センサは、前記第１部材に対して前記永久磁石と反対側に配置される第１センサと、前記第２部材に対して前記永久磁石と反対側に配置される第２センサとを含んでいることを特徴としている。

本発明の磁歪式応力センサは、磁性部材に作用する応力方向と永久磁石の着磁方向とがほぼ直交しており、磁性部材に対して永久磁石と反対側における漏れ磁束の、応力に依存する変化分を検知している。永久磁石が発生している磁束のレベルに比べて、漏れ磁束のレベルが低くなっている。この状態で、応力に依存する変化分を磁気センサによって検知することになるので、磁性部材に作用している応力を精度よく的確に検出することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。

まず、図２３を参照して、前述した非特許文献１により提案されている磁歪式応力センサの構造および原理について説明する。

図２３（Ａ）において、２０１は永久磁石、２０２は磁気センサであり、中央に位置するコア２０３は磁歪を有している。永久磁石２０１の磁束は図示のように分布し、コア２０３を矢印で示すように磁化する。永久磁石２０１の磁束は、コア２０３をも通っている。

コア２０３に引張応力が働くと、永久磁石２０１の磁束がコア２０３をより多く通るようになるために、磁気センサ２０２を通過する磁束が減少する。一方、コア２０３に圧縮応力が作用すると、磁束はコア２０３を通り難くなるため、磁気センサ２０２を通過する磁束が増加する。このようにして、磁気センサ２０２からの信号の大きさはコア２０３に働く応力の大きさを反映することになる。

以上が提案されている磁歪式応力センサの原理である。磁束を発生させるのに電源がいらない点が特徴である。磁気センサ２０２の位置としては、図２３（Ｂ）に示すように、Ａまたは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２０２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。

しかしながら、上記提案においては、パイプ状のコア２０３の中に円柱状のアルニコ磁石を配置し、パイプの表面に、リニアホールＩＣを置いてデータが取られているものの、原理確認段階の域を出ないものである。応力を精度良く的確に検出して磁歪式応力センサの実用化を図るためには、コア２０３に作用する応力の方向と、永久磁石２０１の着磁方向との関係など、実装上の種々の問題点を解決することが重要である。

本発明の磁歪式応力センサにあっては、応力を精度良く的確に検出して実用化を図り得るように、以下のように構成されている。

（第１の実施形態）
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁歪式応力センサ１１の基本構成を示す断面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示される磁歪式応力センサ１１を、応力が作用する部材に取り付けた状態を示す断面図である。

図１（Ａ）を参照して、磁歪式応力センサ１１は、磁歪を有する磁性部材２０と、磁性部材２０に近接して配置された永久磁石３０と、磁性部材２０に対して永久磁石３０と反対側における漏れ磁束を検知する磁気センサ４０と、を備えている。磁性部材２０に作用する応力に依存して漏れ磁束が変化するが、その漏れ磁束の変化を磁気センサ４０によって検知することによって、磁性部材２０に作用する応力を検出する。第１の実施形態の磁歪式応力センサ１１にあっては、磁性部材２０に作用する応力の方向（矢印２１参照）と、永久磁石３０の着磁方向（矢印３１参照）とが、ほぼ直交している。

磁性部材２０は、板形状を有し、歪を生じる起歪部２２と、起歪部２２の両端に設けられた一対の脚部２３とを含んでいる。着磁方向に直交する永久磁石３０の両端面３２ａ、３２ｂのうち一方の端面３２ａが起歪部２２に向かい合っている。永久磁石３０は、起歪部２２に接した状態で配置されている。

図１（Ｂ）を参照して、磁性部材２０は、応力の方向に対して直交する断面形状における両端部の厚みが中央部に比べて厚いフランジ部２４が設けられている。

図１（Ｃ）を参照して、磁歪式応力センサ１１は、磁性部材２０の脚部２３を介して、応力が作用する対象部材５０に取り付けられている。応力が作用する対象部材５０として、例えば、自動車の足回り部品を挙げることができる。脚部２３を対象部材５０に接合することにより、対象部材５０に作用する応力を検知する。起歪部２２は一対の脚部２３を介して対象部材５０に接合されるため、対象部材５０の変形が不均一であっても、平均的な応力が、起歪部２２に負荷される。脚部２３と対象部材５０との接合は、電子ビームによる溶接や、ロー付けなどの公知の接合方法を適宜採用することができる。

この磁歪式応力センサ１１では、磁性部材２０に作用する応力方向（矢印２１）と、永久磁石３０の着磁方向（矢印３１）とがほぼ直交している。図２３に示した従来提案されている磁歪式応力センサにあっては、磁性部材に作用する応力方向と、永久磁石の着磁方向とがほぼ平行である。この点において本実施形態の磁歪式応力センサ１１は、従来例とは異なっている。本件の発明者らは、鋭意検討の結果、磁性部材２０に作用する応力方向と永久磁石３０の着磁方向とがほぼ直交するレイアウトにすることによって、安定かつ良好な特性が得られることを見出した。

すなわち、板状の磁性部材２０の磁化は、永久磁石３０の磁界によって拘束されているが、磁性部材２０に圧縮力が働くと、磁歪の逆効果によって、板面に垂直な磁化が増え（磁歪が正の場合、負の場合は逆となる）、漏れ磁束が増えるものと考えられる。逆に、磁性部材２０に引張力が働くと、板面に平行な磁化が増えるため、漏れ磁束が減ると解釈される。

磁性部材２０に作用する応力方向と永久磁石３０の着磁方向とがほぼ直交しており、磁性部材２０に対して永久磁石３０と反対側における漏れ磁束の、応力に依存する変化分を検知している。永久磁石３０が発生している磁束のレベルに比べて、漏れ磁束のレベルが低くなっている。この状態で、応力に依存する変化分を磁気センサ４０によって検知することになるので、磁性部材２０に作用している応力を精度よく的確に検出することができる。

また、磁性部材２０を板形状としたので、実応力が高くでき、部材に働く応力検知を感度よく行うことができる。

さらに、磁性部材２０の応力方向に対する垂直な断面形状において、両端部の厚さが厚くなっているので、圧縮力が働いても板が座屈することがないから、板を薄くでき、圧縮の応力レベルを上げられることになる。したがって、引張力ばかりでなく圧縮力をも感度よく検知することができ、圧縮力にも高感度なセンサを得ることができる。

磁性部材２０は、マルエージング鋼から形成することが好ましい。マルエージング鋼は高強度であるため、応力レベルを高くでき、十分な検出感度を得ることができるからである。また、同材を用いると、ヒステリシスのない良好なセンサ特性である磁歪式応力センサ１１とすることができるからである。このように、マルエージング鋼の適用は、磁歪式応力センサ１１のロバスト性、感度およびセンサ特性に関して好ましい。

磁性部材２０は、１８％Ｎｉ系のマルエージング鋼（１８％Ｎｉ−９％Ｃｏ−５％Ｍｏ−Ｆｅ）から形成することがより好ましい。１８％Ｎｉ系のマルエージング鋼は磁歪が大きいからである。

さらに、磁性部材２０は、１８％Ｎｉ系のマルエージング鋼から形成され、時効処理されていることが好ましい。時効状態で使用すると、ヒステリシスのない良好なセンサ特性となるからである。

永久磁石３０としては、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石が好適であるが、これに限定されるものではない。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。

漏れ磁束を検知する磁気センサ４０としては、リニアホールＩＣを用いることができる。省電力で小型であり、センサ特性が良好な磁歪式応力センサ１１となるからである。

なお、本明細書において、「応力方向と着磁方向とがほぼ直交する」とは、図２３の従来の磁歪式応力センサとの対比において用いた概念であり、応力方向と着磁方向とが厳密に直交する場合のほか、図２３の磁歪式応力センサとの対比において応力を精度よく的確に検出できる範囲である限りにおいて、若干傾斜する場合も含まれると理解されなければならない。

図１０〜図１７を参照して、磁性部材２２０に作用する応力方向（矢印２２１）と永久磁石２３０の着磁方向（矢印２３１）との関係が、応力の検出に与える影響を説明する。

図１０および図１１は、磁性部材２２０に作用する応力方向と永久磁石２３０の着磁方向との関係が応力の検出に与える影響を調べた実験を説明するための説明図であり、図１０は、磁性部材２２０に作用する応力方向と永久磁石２３０の着磁方向とがほぼ直交するように永久磁石２３０を配置した場合を示し、図１１は、磁性部材２２０に作用する応力方向と永久磁石２３０の着磁方向とがほぼ平行となるように永久磁石２３０を配置した場合を示している。図１０（Ａ）および図１１（Ａ）は、実験装置の概略構成を示す説明図、図１０（Ｂ）および図１１（Ｂ）は、磁性部材２２０としての試験片２２０および試験片２２０の表面側に配置した永久磁石２３０を示す図、図１０（Ｃ）および図１１（Ｃ）は、試験片２２０の裏面側において磁束密度を測定する位置を示す説明図である。図１２（Ａ）（Ｂ）は、磁性部材２２０としての試験片２２０を示す斜視図および正面図、図１３は、永久磁石２３０を示す斜視図である。

図１０および図１１を参照して、磁性部材２２０としての試験片２２０の表面に永久磁石２３０を付け、試験片２２０の裏面に磁束密度を測定するガウスメータのプローブ２４０を配置した。試験片２２０に引張応力を加え、試験片２２０の裏面にプローブ２４０を接触させながらスライドして、磁束密度を測定した。試験片２２０に圧縮応力を加えた場合も同様に測定した。図１０に、試験片２２０に作用する応力方向に対して永久磁石２３０の着磁方向がほぼ直交するように、試験片２２０の表面に永久磁石２３０を付けた場合を示す。図１１に、試験片２２０に作用する応力方向に対して永久磁石２３０の着磁方向がほぼ平行となるように、試験片２２０の表面に永久磁石２３０を付けた場合を示す。説明の便宜上、図１０に示される永久磁石２３０の配置形態を「横置き」とも言い、図１１に示される永久磁石２３０の配置形態を「縦置き」とも言う。

図１２（Ａ）（Ｂ）を参照して、試験片２２０は、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）を用いて作製した。試験片２２０は、厚さｔ＝２ｍｍ、平行部の幅Ｗ＝１４ｍｍ、平行部の長さＰ＝３１ｍｍ、肩部半径Ｒ＝３ｍｍ、つかみ部の幅ｂ＝２０ｍｍである。試験片２２０を機械加工によって作製した後、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℃×２時間保持し、その後、炉中にて室温まで冷却した。その後、時効処理は真空中にて４９０℃×５時間保持し、その後、炉中にて室温まで冷却した。

図１３を参照して、永久磁石２３０として、円柱状の薄肉磁石を、軸方向に着磁して用いた。直径φ＝１０ｍｍ、長さＬ＝７ｍｍのＳｍＣｏ磁石を用いた。着磁後の磁石単体での端面の磁束密度は約４ｋＧであった。

ガウスメータには、Ｆ．Ｗ．ＢＥＬＬ製のＧａｕｓｓ／Ｔｅｓｌａ−Ｍｅｔｅｒ（型番Ｍｏｄｅｌ−５０８０）を使用した。プローブ２４０は、Ｆ．Ｗ．ＢＥＬＬ製のＭｏｄｅｌ−５０８０用の薄型トランスバースプローブ（型番ＳＴＢ５８−０２０１）を使用した。

図１０（Ａ）（Ｃ）および図１１（Ａ）（Ｃ）を参照して、試験片２２０の裏面にプローブ２４０を接触させながら矢印２４１にて示すようにスライドし、試験片２２０の板面に垂直方向の磁束密度を測定した。試験片２２０の裏面側において磁束密度を測定する位置は、平行部の幅方向の中央、かつ、平行部の中心点Ｐ０から図中上側に２０ｍｍの開始点Ｐ１から、平行部の幅方向の中央、かつ、平行部の中心点Ｐ０から図中下側に２０ｍｍの終了点Ｐ２まで、０．０２ｍｍ単位とした。

試験片２２０に印加する荷重は、引張荷重および圧縮荷重はともに、７００．００ｋｇｆとした。試験片２２０の平行部における幅方向の断面積は、２８ｍｍ^２である。引張応力および圧縮応力はともに、２４５ＭＰａである。

図１０に示したように永久磁石２３０を横置きした状態において、荷重を印加しないとき、引張荷重を印加したとき、圧縮荷重を印加したときのそれぞれにおいて、磁束密度を測定した。同様に、図１１に示したように永久磁石２３０を縦置きした状態において、荷重を印加しないとき、引張荷重を印加したとき、圧縮荷重を印加したときのそれぞれにおいて、磁束密度を測定した。測定結果を、図１４〜図１７に示す。

図１４は、試験片２２０に作用する応力方向と永久磁石２３０の着磁方向とがほぼ直交するように永久磁石２３０を配置（横置き）した状態において、引張荷重を印加したときの磁束密度の測定結果を示すグラフ、図１５は、試験片２２０に作用する応力方向と永久磁石２３０の着磁方向とがほぼ直交するように永久磁石２３０を配置（横置き）した状態において、圧縮荷重を印加したときの磁束密度の測定結果を示すグラフである。図１６は、試験片２２０に作用する応力方向と永久磁石２３０の着磁方向とがほぼ平行となるように永久磁石２３０を配置（縦置き）した状態において、引張荷重を印加したときの磁束密度の測定結果を示すグラフ、図１７は、試験片２２０に作用する応力方向と永久磁石２３０の着磁方向とがほぼ平行となるように永久磁石２３０を配置（縦置き）した状態において、圧縮荷重を印加したときの磁束密度の測定結果を示すグラフである。

各グラフにおいて、横軸は、プローブ２４０の移動量（ｍｍ）を示している。開始点Ｐ１は−２０ｍｍの位置に相当し、平行部の中心点Ｐ０は０（ゼロ）ｍｍの位置に相当し、終了点Ｐ２は＋２０ｍｍの位置に相当する。縦軸は、磁束密度Ｂ［ｋＧ］である。各グラフにおいて、実線は、荷重を印加して測定した磁束密度を示し、破線は、荷重０（ゼロ）での磁束密度を示している。

図１４および図１６を参照して、試験片２２０に引張荷重を印加したときの磁束密度は、荷重０での磁束密度に比べて減少し、図１５および図１７を参照して、試験片２２０に圧縮荷重を印加したときの磁束密度は、荷重０での磁束密度に比べて増加した。図１４および図１５を参照して、平行部の中心点Ｐ０（０ｍｍ）の位置において、引張荷重で３７Ｇの変化（減少）、圧縮荷重で５５Ｇの変化（増加）であり、感度は引張荷重を印加したときの方が低かった。

図１４および図１５を参照して、永久磁石２３０を横置きした場合には、感度がほぼ一定のエリアがあった。感度がほぼ一定のエリアは、永久磁石２３０の直径（１０ｍｍ）よりも若干小さかった。一方、図１６および図１７を参照して、永久磁石２３０を縦置きした場合には、感度の最大はピークとなって現れた。しかも、ピーク位置が荷重の大きさによってシフトした。例えば、図１６に示されるように、引張荷重のときの感度のピーク位置は、荷重０のときの感度のピーク位置に比べて内側（開始点Ｐ１の反対側、および終了点Ｐ２の反対側）にシフトしていた。

磁歪式応力センサを構成する際には、磁気センサを配置して磁束密度を測定するセンシング位置を、感度の安定性が高い位置に特定する必要がある。永久磁石２３０を縦置きにした場合には、感度の最大がピークとなって現れ、しかも、感度のピーク位置が荷重の大きさによってシフトすることから、センシング位置を特定することが困難である。感度のピーク位置は本実験のようにして求めることは可能であるものの、磁歪式応力センサを量産したときには、製造ばらつきが大きくなる一要因となる。これに対して、永久磁石２３０を横置きにした場合には、感度がほぼ一定のエリアがあることから、センシング位置を簡単に特定することができる。すなわち、永久磁石２３０を横置きにする場合には、センシング位置を、永久磁石２３０の裏側の中心位置、あるいはその近傍に特定すればよい。また、感度のピーク位置を実験によって求める必要がなく、磁歪式応力センサを量産するときの製造ばらつきを抑えることも可能となる。

永久磁石２３０を縦置きにした場合には、感度のピーク位置が荷重の大きさによってシフトすることから、センサ出力の直線性が失われる。このため、磁歪式応力センサを構成する際には、感度のピーク位置が荷重の大きさによってシフトすることを補正しなければならず、回路あるいは制御プログラムの複雑化を招く虞がある。これに対して、永久磁石２３０を横置きにした場合には、感度がほぼ一定のエリアがあることから、荷重の大きさによってセンサ出力が直線的に変化する特性を得ることができ、回路あるいは制御プログラムが複雑化することがない。

永久磁石２３０を縦置きにした場合には、応力の影響を含まない、永久磁石２３０の磁束をモニタすることができない。このため、磁歪式応力センサの温度特性を確保するのが複雑、煩雑になってしまう。これに対して、永久磁石２３０を横置きにした場合には、永久磁石２３０の両極のうち磁性部材２２０に接しない側の極では応力の影響をダイレクトに受けないため、応力の影響のほとんどない磁石磁束のモニタが可能となる。このため、磁歪式応力センサの温度特性の確保が容易であるという利点もある。

磁歪式応力センサを構成する際には、ΔＢ／Ｂ０が大きい方が、センサ精度が高くなる。ここに、ΔＢは、応力に依存する磁束密度の変化分、Ｂ０は、荷重０のときの磁束密度である。永久磁石２３０を縦置き、あるいは横置きにするいずれの場合においても、試験片２２０に対して永久磁石２３０と反対側における漏れ磁束を検知しているので、荷重０のときの磁束密度Ｂ０のレベルは低い。しかしながら、上述したように、永久磁石２３０を横置きにした場合には、縦置きにした場合に比べて、感度がほぼ一定のエリアがあり、センシング位置の特定が容易で、センサ出力が直線的に変化する特性を得ることができるという利点がある。したがって、永久磁石２３０を横置きにした場合には、縦置きにした場合に比べて、応力に依存する磁束密度の変化分ΔＢを正確に検知することができ、その結果、応力を精度よく的確に検出できることがわかった。

永久磁石２３０を横置きする場合には、永久磁石２３０単体を小型化することができる。Ｂ０をある程度の大きさにしないと、ΔＢも大きくできない。図１４〜図１７に示したように、Ｂ０は、横置きでは約１５０Ｇであり、縦置きでは約５０Ｇである。一方、ΔＢは、横置きでは約５０Ｇであり、縦置きでは約２５Ｇである。Ｂ０は漏れ磁束密度なので、磁石が磁歪材を飽和に近い状態に磁化する必要がある。そのためには、磁石の磁極端面が磁歪材に近い方が、有効に磁化することができる。磁石からの磁界は、磁極端面から離れると弱まるからである。永久磁石２３０を横置きする場合には小さな磁石で磁化できるが、縦置きで横置きと同じＢ０を得ようとすると、磁石を大きくする必要がある。したがって、永久磁石２３０を横置きする場合には、永久磁石２３０単体を本質的に小型化することができ、磁歪式応力センサの小型化を図ることができる。

また、磁歪式応力センサを構成する際、永久磁石２３０を横置きにした場合には、永久磁石２３０の両極のうち磁性部材２２０に接しない側の極に向かい合わせてヨークを簡単に配置することができる。永久磁石２３０にヨークを設けることによって、磁石のパーミアンスを上げることと等価になるため、パーミアンスが高い状態で永久磁石２３０を利用でき、安定した磁石特性を利用することができる。したがって、さらに薄い磁石を用いることができ、磁歪式応力センサの小型化を一層図るのに適したものとなる。

また、永久磁石２３０を横置きにする場合には、円盤状小磁石を使用することもできる。二次元方向で対称な特性、つまり、磁石端面に平行な面において対称な特性を得ることができるので、センサに適用して有効なものとなる。円盤状の磁石は、研摩加工などを行いやすく、容易に作製することができる。一方、永久磁石２３０を縦置きにする場合には、横置きにする場合に比べて、磁歪式応力センサの小型化を図ることがやや難しく、比較的長尺の磁石を要する。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る磁歪式応力センサ１２を示す断面図である。第１の実施形態と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は一部省略する。

第２の実施形態に係る磁歪式応力センサ１２は、永久磁石３０にヨーク６０を向かい合わせて配置した点において、第１の実施形態と相違する。

磁歪式応力センサ１２には、着磁方向に直交する永久磁石３０の両端面３２ａ、３２ｂのうち磁性部材２０に向かい合う端面３２ａとは反対側の端面３２ｂに向かい合って、磁性部材２０と同じ材料から形成されたヨーク６０が配置されている。ヨーク６０は、永久磁石３０の端面３２ｂに接し、永久磁石３０を覆うように設けられ、さらには、磁性部材２０の起歪部２２における歪を阻害することがないように配置されている。

永久磁石３０にヨーク６０を設けることによって、磁石のパーミアンスを上げることと等価になるため、パーミアンスが高い状態で永久磁石３０を利用でき、安定した磁石特性を利用することができる。したがって、薄い磁石を用いることができ、磁歪式応力センサ１２の小型化を図ることができる。また、磁性部材２０と同じ材料からヨーク６０を作製してあるので、後述するが、磁歪式応力センサ１２における温度特性を確保できる。

永久磁石３０の両端面３２ａ、３２ｂのうちの一方の端面３２ａが向かい合う部分における磁性部材２０の厚みと、永久磁石３０の両端面３２ａ、３２ｂのうちの他方の端面３２ｂが向かい合う部分におけるヨーク６０の厚みとが同じであることが好ましい。つまり、磁性部材２０の起歪部２２の厚みと、ヨーク６０のうち起歪部２２に向かい合う部分の厚みとが同じであることが好ましい。後述するが、磁歪式応力センサ１２における温度特性を良好なものとすることができるからである。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る磁歪式応力センサ１３を示す断面図である。第１および第２の実施形態と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は一部省略する。

第３の実施形態に係る磁歪式応力センサ１３は、磁気センサ４０とは別個に、永久磁石３０の磁束を磁性部材２０に作用する応力に依存しない状態においてモニタするセンサ４５をさらに有している点において、第２の実施形態と相違する。

磁歪式応力センサ１３は、第２の実施形態の磁歪式応力センサ１２の構成に加えて、センサ４５が、ヨーク６０の外側に配置されている。センサ４５により、永久磁石３０の磁束を検知している。そして、磁気センサ４０およびセンサ４５の両者の出力を差動した出力をセンサ出力としている。追加配置するセンサ４５も、磁気センサである。第２の実施形態と同様に、ヨーク６０は、磁性部材２０と同じ材料から形成されている。また、磁性部材２０の起歪部２２の厚みと、ヨーク６０のうち起歪部２２に向かい合う部分の厚みとが同じである。

応力を検知する磁気センサ４０と、永久磁石３０の磁束を応力に依存しない状態においてモニタする磁気センサ４５との２つを設け、両者の出力を差動した出力を磁歪式応力センサ１３の出力とすることによって、温度特性に優れた磁歪式応力センサ１３とすることができる。すなわち、ヨーク６０と起歪部２２とが同じ材料、同じ厚さであるから、応力の印加がないときのアクティブな磁気センサ４０の配置位置における漏れ磁束と、磁石磁束モニタ用のダミーの磁気センサ４５の配置位置における漏れ磁束とを、ほぼ同じ大きさにすることができる。そして、アクティブな磁気センサ４０とダミーの磁気センサ４５とを差動させて、磁歪式応力センサ１３の出力とすることによって、温度特性に優れた磁歪式応力センサ１３とすることができる。

本発明の磁歪式応力センサの基本構成を採用することの最大のメリットは、永久磁石３０の磁束を安定かつ、確実にモニタできることである。

従来提案されている図２３（Ａ）に示した磁歪式応力センサの構成にあっては、応力の影響を含まない、磁石の磁束をモニタすることができない。このため、磁歪式応力センサの温度特性を確保するのが複雑、煩雑になってしまうという課題を包含している。

一方、本発明の構成にあっては、応力の影響をダイレクトに受けないため、応力の影響のほとんどない、磁石磁束のモニタが可能であるので、磁歪式応力センサの温度特性の確保が容易であるという点で優れたものとなる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る磁歪式応力センサ１４を示す断面図である。第１〜第３の実施形態と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は一部省略する。

第４の実施形態に係る磁歪式応力センサ１４は、磁気センサ４０にヨーク７０を向かい合わせて配置した点において、第３の実施形態と相違する。

磁歪式応力センサ１４は、第３の実施形態の磁歪式応力センサ１３の構成に加えて、アクティブ側の磁気センサ４０の両面４０ａ、４０ｂのうち磁性部材２０に向かい合う面４０ａとは反対側の面４０ｂに向かい合って、軟磁性材料から形成された磁気センサ４０用のヨーク７０が配置されている。ヨーク７０は、磁気センサ４０を覆うように設けられ、さらには、磁性部材２０の起歪部２２における歪を阻害することがないように配置されている。

軟磁性材料としては、保磁力が小さい材料である、電磁鋼板、電磁軟鉄、ソフトフェライト、パーマロイなどを用いることができる。

磁気センサ４０にヨーク７０を設けることによって、集磁効果があるので、磁歪式応力センサ１４の感度を約倍程度に高めることができる。また、磁気センサ４０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がある。さらに、外部からの磁界に対して、磁気センサ４０をシールドすることになるから、外部磁界に対する耐性を向上させることができる。

図示例にあっては、ダミー側の磁気センサ４５にも、ヨーク７５を設けてある。ダミー側の磁気センサ４５の両面４５ａ、４５ｂのうちヨーク６０に向かい合う面４５ａとは反対側の面４５ｂに向かい合って、磁気センサ４５用のヨーク７５が配置されている。ヨーク７５も上述した軟磁性材料から形成されている。ヨーク７５は、磁気センサ４５を覆うように設けられている。このヨーク７５も、ヨーク７０と同様の機能を発揮する。

（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態に係る磁歪式応力センサ１５を示す断面図である。第１〜第４の実施形態と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は一部省略する。

第５の実施形態に係る磁歪式応力センサ１５は、永久磁石３５を磁性部材２０およびヨーク６０から離間させて配置した点において、第４の実施形態と相違する。先の第４の実施形態では、永久磁石３０は、その両端面３２ａ、３２ｂのそれぞれが、磁性部材２０の起歪部２２と、ヨーク６０とに接した状態で配置されている。

磁歪式応力センサ１５は、非磁性材からなるスペーサ３６を介して、永久磁石３５を保持している。スペーサ３６を介装することにより、永久磁石３５は、磁性部材２０およびヨーク６０から離間して配置されている。このように永久磁石３５を磁性部材２０およびヨーク６０に接触させて配置しなくとも、十分なセンサ特性を確保することができる。

（第６の実施形態）
図６および図７は、本発明の第６の実施形態に係る磁歪式応力センサ１６を示す平面図および側面図、図８は、同磁歪式応力センサ１６の温度補償回路を説明するためのブロック図である。

第６の実施形態に係る磁歪式応力センサ１６は、軸力（軸方向の引張力および圧縮力）が作用する軸部材に適用した点において、第１〜第５の実施形態と相違する。

この磁歪式応力センサ１６にあっては、磁性部材は、軸力が作用する軸部材１０２に軸方向と直交する方向に対をなすように隣り合うとともに作用する軸力により一方には引張応力が生じ他方には圧縮応力が生じるように設けられる第２磁性部材１０８（第１部材に相当する）と第３磁性部材１０９（第２部材に相当する）とを含んでいる。永久磁石１１３は、第２磁性部材１０８と第３磁性部材１０９との間に配置されている。磁気センサは、第２磁性部材１０８に対して永久磁石１１３と反対側に配置される磁気センサ１０４Ａ（第１センサに相当する）と、第３磁性部材１０９に対して永久磁石１１３と反対側に配置される磁気センサ１０４Ｂ（第２センサに相当する）とを含んでいる。第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０９に作用する軸力の方向と、永久磁石の着磁方向とを、ほぼ直交させている点は第１〜第５の実施形態と同様である。

第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０９に作用する軸力方向と永久磁石の着磁方向とがほぼ直交しており、第１の実施形態と同様に、第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０９に作用する軸力を精度よく的確に検出することができる。また、軸力方向と着磁方向とがほぼ直交するように永久磁石を配置してあるので、前述したように、永久磁石単体を本質的に小型化することができる。軸力方向と着磁方向とがほぼ平行となるように永久磁石を配置する場合に比べて、永久磁石の着磁方向に沿う寸法は着磁方向に対して直交する寸法よりも小さくてよいので、永久磁石を配置する第２磁性部材１０８と第３磁性部材１０９との間の寸法は小さくてよい。このため、軸部材１０２の限られた大きさの範囲内で、第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０９の厚さ寸法を大きくでき、第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０９の強度低下を招くことがなく、しかも、磁性体である第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０が厚くなるので、感度が低下することもない。以下、磁歪式応力センサ１６を詳述するが、軸力が作用する軸部材に適用しているので、説明の便宜上、磁歪式軸力センサ１６と称することとする。

第６の実施形態に係る磁歪式軸力センサ１６は、被計測体である軸部材１０２に形成される折り返し部１０３と、折り返し部１０３に配置される永久磁石１１３および２つの磁気センサ１０４Ａ、１０４Ｂと、磁気センサ１０４Ａ、１０４Ｂからの出力信号Ａ１、Ａ２が入力されて磁歪式軸力センサとしてのセンサ出力を出力する回路部１０５と、温度センサ１０６とを有している。

軸部材１０２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、磁歪式軸力センサ１６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。

軸部材１０２には、軸力（軸方向の引張力および圧縮力）が作用し、折り返し部１０３は、軸方向へ複数回折り返して形成されている。折り返し部１０３は、軸心に沿って対称形状の２つの第１折り返し部１０３Ａと第２折り返し部１０３Ｂを有しており、本実施形態では、第１折り返し部１０３Ａに永久磁石１１３および磁気センサ１０４Ａ、１０４Ｂが設けられる。

第１折り返し部１０３Ａは、軸部材１０２の外周側において軸方向の一方側から他方側へ軸方向に延びる第１磁性部材１０７と、第１磁性部材１０７の他方側の端部から折り返されて反対の軸方向へ延びる第２磁性部材１０８と、さらに第２磁性部材１０８の一方側の端部から折り返されて反対の軸方向へ延び、軸部材１０２の他方側に接続する第３磁性部材１０９とを有している。第１〜第３磁性部材１０７〜１０９は、それぞれ平行な板形状で形成される。板形状としたので、実応力が高くでき、部材に働く応力検知を感度よく行うことができる。

第１〜第３磁性部材１０７〜１０９は、磁性部材の並ぶ配列方向（板面の直交方向）および軸方向の両方向と直交する幅方向の幅長ｈが、軸直径Ｄよりも短い均一な長さで形成される。したがって、折り返し部１０３の幅方向の外側には、軸部材１０２から窪んだ２つの空間部１１４Ａ、１１４Ｂが形成される。

第２折り返し部１０３Ｂは、第１折り返し部１０３Ａと対称形状であるため、第１〜第３磁性部材１０７〜１０９と対称な第４〜第６磁性部材１１０〜１１２を有している。したがって、第１折り返し部１０３Ａおよび第２折り返し部１０３Ｂには、全体で６枚（偶数枚）の磁性部材１０７〜１１２が形成される。

第１〜第６磁性部材１０７〜１１２は、例えばそれぞれの板厚ｄが１ｍｍで形成される。なお第１磁性部材１０７と第６磁性部材１１２は、軸の外周面を形成するため部位によって板厚が異なり、例えば最も薄い部位の板厚が１ｍｍで形成されるが、外周面が平面に加工されていてもよい。

永久磁石１１３は、第２磁性部材１０８と第３磁性部材１０９の間に配置され、第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０９の永久磁石１１３が配置される面の反対面に、それぞれ磁気センサ１０４Ａ、１０４Ｂが取り付けられる。永久磁石１１３の着磁方向は、第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０９の永久磁石１１３と接する面と直交する方向（図６の上下方向）と一致し、第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０９に生じる応力の方向（図６の左右方向）と直交している。なお、磁気センサ１０４Ａ、１０４Ｂが取り付けられるそれぞれの磁性部材１０８、１０９は、磁性部材の板厚ｄおよび幅長ｈが等しく、軸方向と直交する面における断面積が等しいため、正負が逆で絶対値の等しい引張応力および圧縮応力が作用する。

第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０９の板材の間に永久磁石１１３が配置されると、それぞれの磁性部材の永久磁石１１３が設けられる面と反対面（磁気センサ１０４Ａ、１０４Ｂが設けられる面）において、漏れ磁束が生じる。

軸部材１０２に例えば引張力が作用すると、第１、第３板、第４および第６磁性部材１０７、１０９、１１０および１１２には引張応力が生じ、第２および第５磁性部材１０８、１１１には圧縮応力が生じる。逆に軸部材１０２に圧縮力が作用すると、第１、第３板、第４および第６磁性部材１０７、１０９、１１０および１１２には圧縮応力が生じ、第２および第５磁性部材１０８、１１１には引張応力が生じる。したがって、軸部材１０２に引張力または圧縮力のいずれが作用しても、軸方向と直交する方向に隣り合う対の磁性部材（本実施形態においては、第２磁性部材１０８と第３磁性部材１０９）において、引張応力と圧縮応力の両方が発生する。第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０９に軸方向の応力が生じると、磁気センサ１０４Ａ、１０４Ｂにおける漏れ磁束が逆磁歪の効果によって変化する。

例えば、引張応力が磁性部材１０８または１０９に負荷される場合、永久磁石１１３からの磁束は、磁性部材１０８または１０９を透過し易くなるため、漏れ磁束は減少する。一方、圧縮応力が磁性部材１０８または１０９に負荷される場合、永久磁石１１３からの磁束は、磁性部材１０８または１０９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１０４Ａ、１０４Ｂによって検出することができる。

本実施形態に係る軸部材１０２は、２つの折り返し部１０３Ａ、１０３Ｂが軸心に沿って対称形状で形成されるため、軸力が軸心を中心に釣り合い、軸部材１０２に曲がりが生じ難い構造となっている。

磁気センサ１０４Ａ、１０４Ｂは、例えばリニアホールＩＣであり、リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂからの出力信号Ａ１、Ａ２は、回路部１０５に入力される。回路部１０５には、磁歪式軸力センサ１６における信号処理回路が一体的に形成されることが好ましい。

本実施形態では、リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂのそれぞれが引張応力、圧縮応力に対応した磁束変化を同時に検知するため、両者の信号を差動することにより略２倍の感度の信号が得られ、かつ良好な直線性が確保される。

温度センサ１０６は、リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂの近傍において、リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂが取り付けられた第２磁性部材１０８または第３磁性部材１０９に取り付けられる。なお、温度センサ１０６の取り付け位置は、逆磁歪が生じる部位の温度環境を計測できれば、特に限定されない。

回路部１０５は、軸部材１０２に形成される収容空間１１５に配置される。回路部１０５は、軸部材１０２の一部の空間に納めることができるため、プラグイン型の小型のセンサとすることができる。なお、回路部１０５の配置位置は、他の位置でもよく、例えば空間部１１４Ａ、１１４Ｂに収めることもできる。

図８に示すように、温度センサ１０６により計測される温度によって、リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂへの供給電圧Ｖｃｃを制御することにより、磁歪式軸力センサ１６の温度補償を達成することができる。図のようにリニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂからの出力信号Ａ１、Ａ２が差動回路１６に入力され、差動回路１６で差動された出力が、磁歪式軸力センサ１６のセンサ出力である。

温度センサ１０６からの信号は、電圧制御部１１７へ入力され、温度センサ１０６からの信号に基づいて、リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂへの供給電圧Ｖｃｃが制御される。リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂのゼロ点は差動により補償され、リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂの感度、永久磁石磁束の温度依存、逆磁歪の温度依存は供給電圧Ｖｃｃの制御により、温度補償される。

温度補償を行うには、温度の異なる２点における感度が同じになるように、予め電圧制御部１１７を校正する必要がある。２点の温度の間は線形補間し、その外側では線形で外挿する。

図９は、磁歪式軸力センサの他の温度補償回路を説明するためのブロック図である。

図９に示すように、リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂの両出力Ａ１、Ａ２が加算回路１１９に入力され、リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂの出力Ａ１、Ａ２が加算された加算回路１１９からの信号が、電圧制御部１１８に入力される。電圧制御部１１８では、加算回路１１９からの信号（リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂの出力の和を表す信号）が常に一定に保たれるように、供給電圧Ｖｃｃが制御される。

なお、リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂの出力信号Ａ１、Ａ２のゼロ点が０Ｖから外れている場合には、両リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂの感度分に相当する電圧の和が常に室温のときと同じになるように供給電圧Ｖｃｃを制御することにより、より精度の高い感度補償ができる。リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂのゼロ点が（絶対値にて）０．１Ｖより大きい場合には、この方法が特に好適である。

上述のように、磁歪式軸力センサ１６は、廉価であり、歪ゲージと比較してロバスト性が高い永久磁石１１３および磁気センサ１０４Ａ、１０４Ｂを用いるため、磁歪式軸力センサ１６自体もロバスト性が高く廉価で作製できる。

また、永久磁石１１３の着磁方向が、第２磁性部材１０８および第３磁性部材１０９の永久磁石１１３と接する面と直交する方向（図６の上下方向）と一致するため、センサ特性（感度）の良好な磁歪式軸力センサ１６を実現できる。

以上説明してきたように、本発明の磁歪式応力センサによれば、省電力小型の磁歪式応力センサを実現できる。しかも、ロバスト性があり、温度特性も優れていることから、その有用性は飛躍的に向上している。

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、磁気センサ４０、４５は、リニアホールＩＣに限定されず、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２０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。

磁歪式軸力センサにあっては、必ずしも軸部材１０２の全体が磁性体である必要はなく、最低限、折り返し部１０３のリニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂが取り付けられる部位およびその近傍が磁歪を有する磁性体であればよい。また、軸部材１０２の形状は円柱形状に限定されず、軸力が作用する部材であれば、磁歪式軸力センサ１６を適用できる。折り返し部１０３における永久磁石１１３および磁気センサ１０４Ａ、１０４Ｂの取り付け位置は、第２および第３磁性部材１０８、１０９に限定されず、第１および第２磁性部材１０７、１０８、第４および第５磁性部材１１０、１１１、または第５および第６磁性部材１１１、１１２であってもよい。取り付け位置が、これらの複数個所であってもよい。また、折り返し部３における折り返しの回数（磁性部材の数）が、説明した第６の実施形態と異なってもよい。

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ものではないことは言うまでもない。

（実施例１）
図１８に示すように、磁歪を有する磁性部材２０として、幅２０ｍｍ、厚さ２ｍｍのマルエージング鋼製の板部材を作製した。板部材は、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）を用いて作製した。板部材を機械加工によって作製した後、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℃×１時間保持し、その後、室温まで冷却した。その後、時効処理は真空中にて４９０℃×５時間保持し、その後、空冷した。

永久磁石３０として、円柱状の薄肉磁石を、軸方向に着磁して用いた。直径φ１０ｍｍ、長さ７ｍｍのＳｍＣｏ磁石を用いた。着磁後の磁石単体での端面の磁束密度は約４ｋＧであった。

磁気センサ４０として、ガウスメータの薄板プローブを用いた。磁気センサ４０により、板面に垂直方向の磁束成分を検知した。磁気センサ４０により、板部材の表面から約０．５ｍｍ付近の磁束を検知した。

図１９に、板部材に圧縮荷重を印加したときの磁束密度の変化を示す。縦軸は、磁束密度の変化ΔＢ［Ｇ］であり、横軸は、板部材に加えられた圧縮荷重［ｋＮ］である。なお、荷重０での磁束密度は約１５０Ｇであった。図に示すような直線的で、ヒステリシスのない良好な特性が得られた。８ｋＮの圧縮荷重（２００ＭＰａ）で２５Ｇの変化（増加）となっている。

板部材に引張荷重を印加したときにも、ほぼ同様な特性となっていた。ただし、８ｋＮの引張荷重（２００ＭＰａ）で２０Ｇの変化（減少）であり、感度は引張荷重を印加したときの方が低かった。

磁気センサ４０を前後左右に１ｍｍ動かした位置においても、まったく同じ特性となっていた。

引張および圧縮の磁歪式応力センサとして使用する場合に、引張状態と圧縮状態とでセンサの感度が異なると、不都合のように思われるが、回路的な補正は容易である。例えば、センサのゼロ点を２．５Ｖにする。そして、ゼロ点より大きな電圧信号のときは圧縮状態であると判定し、ゼロ点より低い電圧信号のときは引張状態であると判定して、感度補正を行うことによって、引張、圧縮ともに同じ感度のセンサとして機能させることができる。センサ出力の一例を図２０に示す。Ｖ０はセンサのゼロ点であり、点線は、引張状態での感度補正を行わなかった場合を示し、実線は、感度補正を行った場合を示している。感度補正を行うことによって、引張、圧縮ともに同じ感度のセンサとして機能させることができることがわかった。

（実施例２）
図４に示される構成の磁歪式応力センサ１４を製作した。

磁歪を有する磁性部材２０は、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）を用いて作製した。磁性部材２０の板形状の起歪部２２は、最小厚さ０．５ｍｍ、幅１０ｍｍであった。幅方向の両端に設けたフランジ部２４は、幅１．５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍであった。磁性部材２０を機械加工によって作製した後、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℃×１時間保持し、その後、室温まで冷却した。その後、時効処理は真空中にて４９０℃×５時間保持し、その後、空冷した。

永久磁石３０として、円柱状の薄肉磁石を、軸方向に着磁して用いた。直径φ３ｍｍ、長さ３．５ｍｍのＳｍＣｏ磁石を用いた。磁石は１０Ｔのパルス磁界で着磁してから、２００℃で１時間、熱枯らしを行った。着磁後の磁石単体での端面の磁束密度は約４．１ｋＧであった。

磁気センサ４０として、リニアホールＩＣを用いた。磁気感度は約７ｍＶ／Ｇであった。

永久磁石３０用のヨーク６０も、マルエージング鋼を用いて作製した。ヨーク６０の厚さは０．５ｍｍとした。

磁気センサ４０、４５用のヨーク７０、７５は、ＰＢパーマロイを用いて作製した。機械加工後、１２００℃で２時間、純水素中にて熱処理を行った。

磁性部材２０の脚部２３を鋼製の板状部材（図１（Ｃ）の対象部材５０に相当）に電子ビーム溶接にて接合した。

そして、板状部材に荷重を印加して試験したところ、ヒステリシスのない良好なセンサ特性が得られた。起歪部２２にて応力換算したとき、図１９と同様なレベルの信号が得られた（２００ＭＰａで２５Ｇ）。また、温度特性も−３０℃から１００℃の範囲において良好であった。

（実施例３）
図５に示される構成の磁歪式応力センサ１５を製作した。永久磁石の形状以外は実施例２と同様とした。

永久磁石３５として、直径φ６ｍｍ、厚さ１．６ｍｍのＳｍＣｏ磁石を用いた。磁石単体での端面の磁束密度は約２．１ｋＧであった。永久磁石３５を非磁性材からなるスペーサ３６を介して保持し、永久磁石３５を、磁性部材２０およびヨーク６０から離間させて配置した。

磁気センサ４０の位置おける磁界は２００Ｇ程度であった。この実施例におけるセンサ感度は実施例２に対して約５割向上していた。永久磁石３５を磁性部材２０およびヨーク６０に接触させて配置しなくとも、十分なセンサ特性を確保できることがわかった。

（実施例４）
図６および図７に示される構成の磁歪式軸力センサ１６を製作した。

軸部材１０２および磁性部材１０７〜１１２は、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）を用いて作製した。磁性部材１０７〜１１２の板厚ｄは１．０ｍｍで、幅長ｈは１０ｍｍであった。磁性部材１０７〜１１２を機械加工によって作製した後、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℃×１時間保持し、その後、室温まで冷却した。その後、時効処理は真空中にて４９０℃×５時間保持し、その後、空冷した。

永久磁石３０として、円柱状の薄肉磁石を、軸方向に着磁して用いた。直径φ３ｍｍ、長さ３．５ｍｍのＳｍＣｏ磁石を用いた。磁石は１０Ｔのパルス磁界で着磁してから、２００℃で１時間、熱枯らしを行った。着磁後の磁石単体での端面の磁束密度は約４．１ｋＧであった。

磁気センサ１０４Ａ、１０４Ｂとして、リニアホールＩＣを用いた。磁気感度は約７ｍＶ／Ｇであった。

図２１は、実施例４における磁歪式軸力センサの感度の計測結果を示すグラフである。横軸の応力は、磁性部材の応力に換算している。図のように、応力２００ＭＰａあたり、４５Ｇのセンサ出力（磁束の変化を差動した値）が得られた。これにより、センサ出力から応力値を換算できることが確認された。

（実施例５）
実施例４の磁歪式軸力センサ１６の近傍に温度センサ１０６を設置し、温度センサ１０６からの信号に基づいて、リニアホールＩＣ１０４Ａ、１０４Ｂへの供給電圧であるＶｃｃを制御して温度補償を行った（図８参照）。具体的には、まず、室温で供給電圧を５．００Ｖに設定し、次に、センサ全体を１００℃に昇温し、２つの条件におけるセンサ感度が同じになるような供給電圧Ｖｃｃを出力できるように、校正値を設定した。次に、２点の温度（室温および１００℃）の間の温度では線形補間し、その外側（室温未満および１００℃超）では線形で外挿した校正値を設定した。

この後、温度を変化させつつ、温度信号をもとに供給電圧Ｖｃｃを制御して、感度の計測を行った。

図２２は、実施例５における磁歪式軸力センサの温度特性の計測結果を示すグラフである。縦軸の感度比は、センサ出力を２０℃における値を基準として正規化した感度である。破線は供給電圧の制御無しの場合であり、実線は制御有りの場合である。図２２に示すように、破線では温度変化によって感度比が変化するが、実線では温度が変化しても、感度は略一定となっており、−２０℃から１００℃の範囲において良好に感度の温度補償が行われていることが確認できた。

図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁歪式応力センサの基本構成を示す断面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示される磁歪式応力センサを、応力が作用する部材に取り付けた状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁歪式応力センサを示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁歪式応力センサを示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る磁歪式応力センサを示す断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る磁歪式応力センサを示す断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る磁歪式応力センサを示す平面図である。 同磁歪式応力センサを示す側面図である。 同磁歪式応力センサの温度補償回路を説明するためのブロック図である。 同磁歪式応力センサの他の温度補償回路を説明するためのブロック図である。 磁性部材に作用する応力方向と永久磁石の着磁方向との関係が応力の検出に与える影響を調べた実験を説明するための説明図であり、磁性部材に作用する応力方向と永久磁石の着磁方向とがほぼ直交するように永久磁石を配置した場合を示し、図１０（Ａ）は、実験装置の概略構成を示す説明図、図１０（Ｂ）は、磁性部材としての試験片および試験片の表面側に配置した永久磁石を示す図、図１０（Ｃ）は、試験片の裏面側において磁束密度を測定する位置を示す説明図である。 磁性部材に作用する応力方向と永久磁石の着磁方向との関係が応力の検出に与える影響を調べた実験を説明するための説明図であり、磁性部材に作用する応力方向と永久磁石の着磁方向とがほぼ平行となるように永久磁石を配置した場合を示し、図１１（Ａ）は、実験装置の概略構成を示す説明図、図１１（Ｂ）は、磁性部材としての試験片および試験片の表面側に配置した永久磁石を示す図、図１１（Ｃ）は、試験片の裏面側において磁束密度を測定する位置を示す説明図である。 図１２（Ａ）（Ｂ）は、磁性部材としての試験片を示す斜視図および正面図である。 永久磁石を示す斜視図である。 試験片に作用する応力方向と永久磁石の着磁方向とがほぼ直交するように永久磁石を配置（横置き）した状態において、引張荷重を印加したときの磁束密度の測定結果を示すグラフである。 試験片に作用する応力方向と永久磁石の着磁方向とがほぼ直交するように永久磁石を配置（横置き）した状態において、圧縮荷重を印加したときの磁束密度の測定結果を示すグラフである。 試験片に作用する応力方向と永久磁石の着磁方向とがほぼ平行となるように永久磁石を配置（縦置き）した状態において、引張荷重を印加したときの磁束密度の測定結果を示すグラフである。 試験片に作用する応力方向と永久磁石の着磁方向とがほぼ平行となるように永久磁石を配置（縦置き）した状態において、圧縮荷重を印加したときの磁束密度の測定結果を示すグラフである。 本発明の実施例１の説明図である。 板部材に圧縮荷重を印加したときの磁束密度の変化を示すグラフである。 本発明の実施例１によって得られた磁歪式応力センサの出力特性データを示すグラフである。 実施例４における磁歪式軸力センサの感度の計測結果を示すグラフである。 実施例５における磁歪式軸力センサの温度特性の計測結果を示すグラフである。 図２３（Ａ）（Ｂ）は、従来の磁歪式応力センサの構造および原理を示す説明図である。

符号の説明

１１〜１５ 磁歪式応力センサ、
１６ 磁歪式軸力センサ（磁歪式応力センサ）、
２０ 磁性部材、
２１ 磁性部材に作用する応力の方向を示す矢印、
２２ 起歪部、
２３ 脚部、
２４ フランジ部、
３０ 永久磁石、
３１ 永久磁石の着磁方向を示す矢印、
３２ａ、３２ｂ 永久磁石の両端面、
４０ アクティブ側の磁気センサ、
４０ａ、４０ｂ 磁気センサの両面、
４５ ダミー側の磁気センサ（センサ）、
６０ ヨーク、
７０ 磁気センサ４０用のヨーク、
７５ 磁気センサ４５用のヨーク、
１０２ 軸部材、
１０４Ａ 磁気センサ（第１センサ）、
１０４Ｂ 磁気センサ（第２センサ）、
１０８ 第２磁性部材（第１部材）、
１０９ 第３磁性部材（第２部材）、
１１３ 永久磁石。

Claims (18)

1. 磁歪を有する磁性部材と、前記磁性部材に近接した永久磁石と、前記磁性部材に対して前記永久磁石と反対側における漏れ磁束を検知する磁気センサと、を備え、前記磁性部材に作用する応力に依存して変化する漏れ磁束の変化を前記磁気センサによって検知することによって、前記磁性部材に作用する応力を検出する磁歪式応力センサにおいて、
   前記磁性部材は、応力が作用する対象部材に取り付けられる一対の脚部を含み、
   前記磁性部材に作用する応力の方向と、前記永久磁石の着磁方向とが、ほぼ直交していることを特徴とする磁歪式応力センサ。
2. 前記磁性部材が板形状を有す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. 前記磁性部材の、前記応力の方向に対して直交する断面形状における両端部の厚みが中央部に比べて厚いことを特徴とする請求項２に記載の磁歪式応力センサ。
4. 前記磁性部材がマルエージング鋼から形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
5. 前記磁性部材が１８％Ｎｉ系のマルエージング鋼から形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
6. 前記磁性部材が１８％Ｎｉ系のマルエージング鋼から形成され、時効処理されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
7. 着磁方向に直交する前記永久磁石の両端面のうち前記磁性部材に向かい合う端面とは反対側の端面に向かい合って、前記磁性部材と同じ材料から形成されたヨークが配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
8. 前記永久磁石の前記両端面のうちの一方が向かい合う部分における前記磁性部材の厚みと、前記永久磁石の前記両端面のうちの他方が向かい合う部分における前記ヨークの厚みとが同じであることを特徴とする請求項７に記載の磁歪式応力センサ。
9. 前記磁気センサの両面のうち前記磁性部材に向かい合う面とは反対側の面に向かい合って、軟磁性材料から形成された磁気センサ用のヨークが配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
10. 前記磁気センサとは別個に、前記永久磁石の磁束を前記磁性部材に作用する応力に依存しない状態においてモニタするセンサをさらに有し、
    前記磁気センサおよび前記センサの両者の出力を差動した出力をセンサ出力とすることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
11. 磁歪を有する磁性部材と、前記磁性部材に近接した永久磁石と、前記磁性部材に対して前記永久磁石と反対側における漏れ磁束を検知する磁気センサと、を備え、前記磁性部材に作用する応力に依存して変化する漏れ磁束の変化を前記磁気センサによって検知することによって、前記磁性部材に作用する応力を検出する磁歪式応力センサにおいて、
    前記磁性部材に作用する応力の方向と、前記永久磁石の着磁方向とが、ほぼ直交しており、
    前記磁性部材は、軸力が作用する軸部材に軸方向と直交する方向に対をなすように隣り合うとともに作用する軸力により一方には引張応力が生じ他方には圧縮応力が生じるように設けられる第１部材と第２部材とを含み、
    前記永久磁石は、第１部材と第２部材との間に配置され、
    前記磁気センサは、前記第１部材に対して前記永久磁石と反対側に配置される第１センサと、前記第２部材に対して前記永久磁石と反対側に配置される第２センサとを含んでいる磁歪式応力センサ。
12. 前記第１センサおよび前記第２センサの両者の出力を差動した出力をセンサ出力とす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. 前記第１部材および前記第２部材は、板形状で形成されることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の磁歪式応力センサ。
14. 前記磁性部材の、前記応力の方向に対して直交する断面形状における両端部の厚みが中央部に比べて厚いことを特徴とする請求項１３に記載の磁歪式応力センサ。
15. 前記磁性部材がマルエージング鋼から形成されていることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
16. 前記磁性部材が１８％Ｎｉ系のマルエージング鋼から形成されていることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
17. 前記磁性部材が１８％Ｎｉ系のマルエージング鋼から形成され、時効処理されていることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
18. 前記磁気センサがホール素子またはリニアホールＩＣであることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。

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