JP5136330B2 - 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。

例えば非特許文献１の研究者らは、磁歪の逆効果を利用して応力を検出することを提案している。磁歪の逆効果を利用した応力センサ（磁歪式応力センサ）は、応力を検出するセンサとして一般的な歪ゲージに比べ、ロバスト性に優れる。

このため、ロバスト性が要求され歪ゲージによる応力の検出が困難な、応力が作用する対象部材、例えば自動車等の足回り部材における応力（引張応力および圧縮応力）を、磁歪式応力センサによって検出することが期待できる。
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、上述の磁歪式応力センサは、実用化を図る上では十分なものではない。例えば自動車等の足回り部材に作用する応力を検出しようとすると、部材が歪み難いため、信号が小さくなり易い。実用上、このような場合でも応力を精度良く的確に検出する必要があり、感度向上が、実用化を図る上での課題の１つである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、感度を向上させ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。その結果、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し、かつ、磁束を磁気センサに集中させることによって、感度を向上させ応力を精度良く的確に検出できることを本発明者らは見出し、本発明を完成するに至った。本発明はこのような知見に基づくものである。

本発明の磁歪式応力センサは、応力が作用する対象部材に接合させるための、磁歪を有する磁性部材と、磁性部材に近接して配置され、対象部材から磁性部材に作用する応力の方向に対して着磁方向がほぼ直交した永久磁石と、を備える。また、本発明の磁歪式応力センサは、磁性部材に対して永久磁石と反対側に配置された磁気センサを備える。本発明の磁歪式応力センサはさらに、磁気センサの両面のうち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配置した、磁性材料から形成した磁気センサ用のヨークを備える。ヨークは、磁気センサに対向した凸部を有する。本発明の磁歪式応力センサは、磁性部材に作用する応力に依存して変化する、磁性部材に対して永久磁石と反対側において凸部によって磁気センサに集中させた磁束を、磁気センサによって検知する。このように検知することによって、本発明の磁歪式応力センサは磁性部材に作用する応力を検出する。

本発明は、凸部によって磁気センサに集中させた磁束を検知するため、感度を向上させ応力を精度良く的確に検出し得る。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。共通する機能を有する部材については、類似の符号を付し、また、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１は磁歪式応力センサの概略断面図、図２は図１の２−２線に沿う断面図、図３（Ａ）は第１実施形態と異なる対比例の要部拡大断面図、図３（Ｂ）は磁歪式応力センサの要部拡大断面図である。

図１に示すように、本実施形態の磁歪式応力センサ１００は、応力が作用する対象部材４００に接合させるための、磁歪を有する磁性部材１４０を備える。磁歪式応力センサ１００はまた、磁性部材１４０に近接して配置した永久磁石１１０と、磁性部材１４０に対して永久磁石１１０と反対側に配置した磁気センサ１５０と、を備える。

磁歪式応力センサ１００はさらに、磁性材料から形成された磁気センサ用のヨーク１２０を備える。磁歪式応力センサ１００はまた、永久磁石１１０に向かい合うヨーク１３０を備える。

対象部材４００は、例えば、ディスクブレーキのキャリパサポート等、自動車等の足回り部品である。磁歪式応力センサ１００は、対象部材４００の表面を平坦にした平坦部４０２に接合する。

磁歪式応力センサ１００を接合する場所は、対象部材４００において圧縮応力が作用する部分であることが好ましい。例えば切り欠いて平坦部４０２を設けたときの対象部材４００の強度低下が、引張応力が作用する部分に比べて、圧縮応力が作用する部分では小さいからである。

磁性部材１４０は、板形状を有し歪を生じる起歪部１４２と、起歪部１４２に接続した一対の脚部１４４、１４６とを含む。磁性部材１４０は、板形状の起歪部１４２を有するので、実応力が高くでき、対象部材４００に働く応力の検出を感度よく行える。起歪部１４２は、一方向に延びた板形状を有しており、その長手方向に位置する両端に脚部１４４、１４６が接続している。

磁歪式応力センサ１００は、脚部１４４、１４６を介して対象部材４００に接合する。このように脚部１４４、１４６を介して接合することによって、対象部材４００の変形が不均一であっても、磁歪式応力センサ１００は平均的な応力を検出できる。脚部１４４、１４６と対象部材４００との接合方法は、例えば電子ビームによる溶接や、ロー付け等の公知の接合方法である。

磁性部材１４０の材料は、例えば、１８％Ｎｉ系マルエージング鋼（例えば１８％Ｎｉ−９％Ｃｏ−５％Ｍｏ−Ｆｅ）であって時効処理したもの、１８％Ｎｉ系マルエージング鋼、または、マルエージング鋼である。これらは、強度信頼性に優れ、磁歪式応力センサ１００の感度を良好にできる。

また、磁性部材１４０の材料は、例えば、ＦｅＣｏＶ合金、ＦｅＡｌ合金、ＦｅＧａ合金、またはＦｅＧａＡｌ合金である。これらは、良好な磁歪効果を有し、磁歪式応力センサ１００の感度を良好にできる。

永久磁石１１０は、起歪部１４２に接している。永久磁石１１０では、対象部材４００から磁性部材１４０に作用する応力の方向（矢印１０２参照）に対して、着磁方向（矢印１１２参照）がほぼ直交している。

本明細書において、「着磁方向１１２と応力方向１０２とがほぼ直交する」とは、着磁方向１１２と応力方向１０２とが平行な非特許文献１における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る。

つまり、着磁方向１１２と応力方向１０２とが厳密に直交する場合のほか、従来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。

永久磁石１１０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１１０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。

ヨーク１３０は、永久磁石１１０を覆っている。ヨーク１３０を形成する材料は、例えば、パーメンデュール、またはマルエージング鋼である。ヨーク１３０は、起歪部１４２における歪みを阻害しない。

磁歪式応力センサ１００がヨーク１３０を備えることによって、永久磁石１１０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１１０を利用でき、安定した磁石特性を利用できる。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１００の小型化を図れる。

磁気センサ１５０は、例えばリニアホールＩＣである。リニアホールＩＣは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１００となるからである。磁気センサ１５０は起歪部１４２に接している。

ヨーク１２０は、磁気センサ１５０の両面のうち磁性部材１４０に向かい合う面とは反対側の面に向かい合う。ヨーク１２０は、板形状の板状部１２４を有する。板状部１２４は、一方向に延び、長手方向における両端に、磁性部材１４０に向かって突出した縁部１２５、１２６を有する。起歪部１４２と縁部１２５との間、および起歪部１４２と縁部１２６との間に、隙間があいている。

ヨーク１２０は、磁気センサ１５０に対向した凸部１２１を有する。凸部１２１の先端は面状である。磁気センサ１５０と凸部１２１とは接触している。凸部１２１の先端の面１２２は、磁気センサ１５０の面に平行である。磁気センサ１５０と凸部１２１とは面接触しており、面１２２は、磁気センサ１５０の面全体を覆っている。ヨーク１２０を形成する材料は、例えばＰＢパーマロイである。

図２に示すように、応力方向１０２に対して直交する断面における、凸部１２１の形状は、台形形状である。同断面における形状の厚みが起歪部１４２の厚みに比べて厚いフランジ部１４５、１４７を、磁性部材１４０は有する。

圧縮力が働いても、フランジ部１４５、１４７が起歪部１４２の座屈を防止できる。よって、起歪部１４２を薄くでき、圧縮の応力レベルを上げられる。したがって、引張応力ばかりでなく圧縮応力をも感度よく検出でき、圧縮応力にも高感度な磁歪式応力センサ１００を得られる。

応力検出方法は、磁歪式応力センサ１００を対象部材４００に接合する。そして、磁性部材１４０に作用する応力に依存して変化する、磁性部材１４０に対して永久磁石１００と反対側において凸部１２１によって磁気センサ１５０に集中させた磁束９１（図３（Ｂ）参照）を、磁気センサ１５０によって検知する。こうすることによって、磁性部材１４０に作用する応力を検出する。

例えば図３（Ａ）の対比例に示すように、磁気センサ用のヨーク２０が凸部１２１を有さず、板状部２４が磁気センサ５０に接している場合、永久磁石１０からの漏れ磁束９０が、起歪部４２と板状部２４との間の空間のほぼ全域にわたって分布する。

一方、図３（Ｂ）に示すように本実施形態では、集中した磁束９１が存在し、凸部１２１と異なる板状部１２４の平面と起歪部１４２との間の空間１０４に、漏れ磁束９０が存在しない。あるいは、漏れ磁束９０が存在しても、図３（Ａ）において示した例に比べて僅かである。この磁束集中についての物理的解釈を述べる。

永久磁石１０からの漏れ磁束９０は、凸部１２１を磁化する。これによって、凸部１２１は、あたかもそこに磁石が存在するようにふるまい、磁化によって生ずる磁束９３を空間１０４に作用させる。磁束９３は、もともとあった漏れ磁束９０に対して向きが逆であるため、漏れ磁束９０をキャンセルする。これに対し凸部１２１では、漏れ磁束９０に磁束９３が加わり、漏れ磁束９０より大きい磁束９１が生ずるのである。

第１実施形態の効果を説明する。

磁気センサ１５０が、集中させた磁束９１の変化分を検知するため、磁歪式応力センサ１００は、凸部１２１がない場合に比べて感度を向上でき、応力を精度良く的確に検出し得る。凸部１２１を設けた場合、凸部１２１を設けない場合に比べ、感度が約２割程度上昇することを本発明者らは実験によって確認している。

凸部１２１の先端が面状であるため、例えば凸部１２１の先端が尖っているような場合に比べ、集中させた磁束９１が存する範囲が広い。したがって、例えば組立て等において、磁気センサ１５０と凸部１２１との位置にズレが生じても、磁気センサ１５０内で磁束を検知する感磁部が、磁束９１が存する範囲から外れ難く、磁歪式応力センサ１００は信頼性に優れる。また、磁束９１の範囲が広いため、凸部１２１と磁気センサ１５０との位置合わせにおいて許容できる誤差を大きくでき、作業性が向上する。

磁気センサ１５０と凸部１２１とが接触している。このため、磁気センサ１５０とヨーク１２０との間の隙間に起因する磁気抵抗が低減し、かつ磁束が磁気センサ１５０を透り易くなる。よって、磁歪式応力センサ１００は感度を向上できる。本発明者らは、磁気センサ１５０とヨーク１２０との間の隙間をなくし、両者を接触させることによって、感度を５割程度上昇できることを、実験によって確認している。

磁歪式応力センサ１００は、縁部１２５と起歪部１４２との間、および縁部１２６と起歪部１４２との間に、隙間を有する。このため組立てにおいては、起歪部１４２、磁気センサ１５０、および凸部１２１の接触を管理すればよく、作業性が向上する。

縁部１２５と起歪部１４２との間、および縁部１２６と起歪部１４２との間、つまりヨーク１２０と起歪部１４２との間に、多少の隙間があっても、感度向上の効果は変わらないことを本発明者らは確認している。

＜第２実施形態＞
図４は第２実施形態の磁歪式応力センサの概略断面図である。

第２実施形態の磁歪式応力センサ２００は、ノイズのレベルを抑えるためのケース２６０を有する点で第１実施形態と異なる。ケース２６０は、磁性部材２４０、永久磁石２１０、磁気センサ２５０、ヨーク２２０、およびヨーク２３０を覆う。ケース２６０はまた、磁性部材２４０が対象部材４００に接合したとき対象部材４００に導通する。ケース２６０の材質は、磁性材料である。

ケース２６０は、磁性部材２４０の脚部２４４、２４６のうちの一方にボルトによって接続している。脚部２４４、２４６の両方にボルトによって接続してもよいが、脚部２４４、２４６を拘束しないようにし、応力の検出に影響を与えないようにするのが好ましい。また、ボルト以外の接続方法も適用できる。ケース２６０は、磁性部材２４０を介して対象部材４００に導通する。

第２実施形態の効果を述べる。

磁歪式応力センサ２００はケース２６０を有し、ケース２６０が外部からのノイズの影響を低減させる電磁シールドとして作用するとともに、磁気シールドとしても作用する。このため磁歪式応力センサ２００は、第１実施形態の効果の他、外部からの磁界の影響を低減でき、応力を精度良く的確に検出し得るという効果を奏する。自動車等の足回り部材においては、外部からの変動磁界がかなり大きい場合（ピーク値で５ｍＴ程度）があり、このような場合、第２実施形態は特に有効である。

＜実施例１＞
本発明者らは、磁性部材１４０およびヨーク１３０の材料として、軟磁性材料のパーメンデュール（Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２ 合金）を用いて、第１実施形態の磁歪式応力センサ１００を作製した。

脚部１４４、１４６の離隔方向に対して直交し起歪部１４２の面に平行な方向（以下、単に幅方向と称す）における、磁性部材１４０の長さは、８ｍｍである。起歪部１４２の厚さは、０．７ｍｍである。幅方向における起歪部１４２の長さは、７ｍｍである。フランジ部１４５、１４７の厚さは、１．０ｍｍである。

発明者らは、起歪部１４２およびヨーク１３０を機械加工によって形成した後、熱処理（水素中８４０℃で２時間保持し、１００℃／ｈで４００℃以下まで炉冷）を行った。発明者らは、対象部材４００として板状のＳＵＳ３０４を用い、脚部１４４、１４６と対象部材４００とを銀ロー付けによって接合した。

永久磁石１１０は、φ６ｍｍ、長さ１．８ｍｍのＳｍＣｏ磁石である。発明者らは、１０Ｔのパルス磁界によって磁石を着磁した後、２００℃で１時間、熱枯らしを行った。その後の磁石単体での端面の漏れ磁界は、約４．１ｋＧであった。

発明者らは、ヨーク１２０の材料として軟磁性材料のＰＢパーマロイを用いた。ヨーク１２０の板状部１２４の厚さは、１ｍｍである。凸部１２１の高さは、１ｍｍである。発明者らは、ヨーク１２０を機械加工によって形成した後、１２００℃で２時間、純水素中にて熱処理を行った。

発明者らは、磁気センサ１５０としてＩｎＡｓ高感度ホール素子を内蔵したリニアホールＩＣを用いた。磁気感度は、約７ｍＶ／Ｇであった。作製した磁歪式応力センサ１００の１００ＭＰａでの圧縮応力感度は、約１４０Ｇであった。

＜実施例２＞
本発明者らはまた、磁性部材１４０およびヨーク１３０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、第１実施形態の磁歪式応力センサ１００を作製した。実施例２は、実施例１と略同様であるが、磁性部材１４０およびヨーク１３０の材質をマルエージング鋼とした点で実施例１と異なる。

発明者らは、磁性部材１４０およびヨーク１３０を機械加工によって形成した後、これらに固溶化処理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、室温まで冷却するものである。時効処理は真空中にて４９０℃×５時間保持し、その後、空冷するものである。

作製した磁歪式応力センサ１００の１００ＭＰａでの圧縮応力感度は、約３０Ｇであった。

＜実施例３＞
本発明者らは、実施例１の磁歪式応力センサ１００にケース２６０を取り付けて、第２実施形態の磁歪式応力センサ２００を作製した。ケース２６０は、Ｓ４５Ｃ製である。ケース２６０の厚さは２ｍｍである。発明者らは、機械加工によってケース２６０を形成し、その後、熱処理（ひずみ取り焼鈍：真空中にて６００℃×２時間保持）を行った。発明者らは、ケース２６０をボルトによって、脚部２４４、２４６のうちの一方に接続した。

ケース２６０と対象部材４００とを導通させ、電気抵抗を測定すると、両者の間の電気抵抗は、１Ω以下であった。このときのノイズレベルは、２ｍＶ未満であった。また、外部から１０Ｈｚ、振幅５０Ｇの変動磁界を与えて試験した結果、センサ信号は、ほとんど影響を受けなかった。

＜比較例１＞
図５（Ａ）は比較例１の磁歪式応力センサを示す概略断面図である。

本発明者らは、実施例１と対比するための磁歪式応力センサ１００ａを作製した。図５（Ａ）に示すように、比較例１の磁歪式応力センサ１００ａは、実施例１の磁歪式応力センサ１００と略同様であるが、ヨーク１２０ａが凸部を備えない点で、実施例１と異なる。

ヨーク１２０ａにおける板状部１２４ａと磁気センサ１５０ａとは離隔しており、両者の間に隙間がある。また、ヨーク１２０と異なり、縁部１２５ａ、１２５ｂが、起歪部１４２ａに接している。その他の構成は、実施例１と同様とした。

比較例１における、磁歪式応力センサ１００ａの１００ＭＰａでの圧縮応力感度は、約１００Ｇであった。比較例１の感度は実施例１の感度に比べて低く、実施例１のような磁束の集中によって、感度を向上できることが確認できた。

＜比較例２＞
図５（Ｂ）は比較例２の磁歪式応力センサを示す概略断面図である。

本発明者らは、実施例２と対比するための磁歪式応力センサ１００ｂを作製した。図５（Ｂ）に示すように、比較例２の磁歪式応力センサ１００ｂは、比較例１と略同様であるが、磁性部材１４０ｂおよびヨーク１３０ｂの材質がマルエージング鋼である点で比較例１と異なる。

比較例２における、磁歪式応力センサ１００ｂの１００ＭＰａでの圧縮応力感度は、約２０Ｇであった。比較例２の感度は実施例２の感度に比べて低く、実施例２のような磁束の集中によって、感度を向上できることが確認できた。

＜比較例３＞
図５（Ｃ）は比較例３の磁歪式応力センサを示す概略断面図である。

図５（Ｃ）に示すように、比較例３の磁歪式応力センサ１００ｃは、実施例３と同様である。しかし、実施例３と異なり、ケース２６０ｃが対象部材４００に導通していない。ケース２６０ｃと対象部材４００との間の電気抵抗は、１ｋΩ程度であった。

比較例３におけるノイズレベルは、２０ｍＶ程度であった。比較例３のノイズレベルは実施例３に比べて高く、実施例３のようにケース２６０と対象部材４００とを導通させることによって、ノイズレベルを低減できることを確認できた。

本発明は、上述した実施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できる。例えば、磁気センサは、リニアホールＩＣに限定されず、省電力かつ小型の、ホール素子またはＧＭＲセンサであってもよい。

応力方向１０２に直交する平面における凸部１２１の断面形状は、実施形態では台形形状であるが、本発明はこれに限定するものではない。つまり図６（Ａ）に示すように、凸部３２１ａの断面形状は、矩形形状であってもよい。また、図６（Ｂ）に示すように、凸部３２１ｂの先端の平面３２２ｂにつながる側面３２７ｂが、曲面であってもよい。

磁歪式応力センサの概略断面図である。 図１の２−２線に沿う断面図である。 （Ａ）は第１実施形態と異なる対比例の要部拡大断面図、（Ｂ）は磁歪式応力センサの要部拡大断面図である。 第２実施形態の磁歪式応力センサの概略断面図である。 （Ａ）は比較例１の磁歪式応力センサを示す概略断面図、（Ｂ）は比較例２の磁歪式応力センサを示す概略断面図、（Ｃ）は比較例３の磁歪式応力センサを示す概略断面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は変形例の断面図である。

符号の説明

１００、２００ 磁歪式応力センサ、
１０２ 応力方向、
１１０、２１０ 永久磁石、
１１２ 着磁方向、
１２０、２２０ 磁気センサ用のヨーク、
１２１ 凸部、
１２４ 板状部、
１２５、１２６ 縁部、
１３０、２３０ ヨーク、
１４０、２４０ 磁性部材、
１４２ 起歪部、
１４４、１４６、２４４、２４６ 脚部、
１５０、２５０ 磁気センサ、
４００ 対象部材。

Claims (4)

1. 応力が作用する対象部材に接合させるための、磁歪を有する磁性部材と、
   前記磁性部材に近接して配置され、前記対象部材から前記磁性部材に作用する応力の方向に対して着磁方向がほぼ直交した永久磁石と、
   前記磁性部材に対して前記永久磁石と反対側に配置された磁気センサと、
   当該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配置され、前記磁気センサに対向した凸部を有する、磁性材料から形成された磁気センサ用のヨークと、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、前記磁性部材に対して前記永久磁石と反対側において前記凸部によって前記磁気センサに集中させた磁束を、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。
2. 前記凸部の先端が面状である請求項１に記載の磁歪式応力センサ。
3. 前記磁気センサと前記凸部とが接触している請求項１または請求項２に記載の磁歪式応力センサ。
4. 前記磁性部材、前記永久磁石、前記磁気センサ、および前記ヨークを覆い、前記磁性部材が前記対象部材に接合したとき前記対象部材に導通する、磁性材料から形成されたケースをさらに有する請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。

Images