JP5187099B2 - 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、歪を生じる起歪部を対象部材に接続するための構造を所定の構造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、本発明の磁歪式応力センサは、磁歪を有する材
料から形成され歪を生じる起歪部と、応力が作用する対象部材に起歪部を接続するための
接続部材と、起歪部に近接して配置された永久磁石と、起歪部に対して永久磁石と反対側
における漏れ磁束を検知する磁気センサと、を備えている。この磁歪式応力センサは、対
象部材から接続部材を経由して起歪部に作用する応力に依存して変化する漏れ磁束の変化
を磁気センサによって検知することによって、起歪部に作用する応力を検出する。ここで
、接続部材は、起歪部に設けられた対をなす脚部と、脚部のそれぞれの先端に設けられた
取り付け板と、を含んでいる。さらに、取り付け板は、取り付け板面に平行な断面における脚部の断面積よりも大きな面積を有し、かつ、対象部材に設けた突起部をカシメて対象部材に対して固定されている。

本発明の磁歪式応力センサは、起歪部を対象部材に接続するための構造として、「カシメ」という機械的な固定手法を採用しているので、溶接やロー付けなどによって接合するときのような熱が起歪部に加わらず、磁歪式応力センサの感度特性の劣化を招くことがない。さらに、「カシメ」という機械的な固定手法を採用しているので、溶接などの接合手法に比べて、起歪部を対象部材に接続するための構造が量産化に適したものとなる。また、脚部の先端に脚部の断面積よりも大きい面積の取り付け板を設け、この取り付け板を対象部材に固定しているので、脚部をしっかり接合したのと同様な効果を実現できることになる。したがって、本発明の磁歪式応力センサによれば、応力を精度良く的確に検出して実用化を図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１０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１０（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１０（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、磁歪を有する材料から形成され歪を生じる起歪部を、対象部材に接続するための構造など、実装上の種々の問題点を解決することが重要である。

起歪部を対象部材に接続するための構造として、起歪部に設けた脚部と対象部材とを、電子ビームによる溶接や、ロー付けなどによって接合する構造が考えられる。しかしながら、磁歪を有する材料によっては、起歪部を対象部材に接合するときの熱によって、起歪部の磁気特性や磁歪特性が低下し、磁歪式応力センサの感度特性の劣化を招くことがある。また、起歪部を対象部材に接続するための構造が量産化に適していることも、磁歪式応力センサの実用化を図る上で重要である。

そこで、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を、対象部材５０に取り付けた状態を示す平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図である。図２（Ａ）は、図１（Ａ）の２Ａ−２Ａ線に沿う断面図、図２（Ｂ）は、図１（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図である。

図１（Ａ）（Ｂ）および図２（Ａ）（Ｂ）を参照して、磁歪式応力センサ１１は、概説すれば、磁歪を有する材料から形成され歪を生じる起歪部２２と、応力が作用する対象部材５０に起歪部２２を接続するための接続部材２５と、起歪部２２に近接して配置された永久磁石３０と、起歪部２２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。対象部材５０から接続部材２５を経由して起歪部２２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、起歪部２２に作用する応力を検出する。接続部材２５は、起歪部２２に設けられた対をなす脚部２３と、脚部２３のそれぞれの先端に設けられた取り付け板２４と、を含んでいる。そして、取り付け板２４は、脚部２３の断面積よりも大きな面積を有し、かつ、対象部材５０に設けた突起部５１をカシメて対象部材５０に対して固定している。磁歪式応力センサ１１はさらに、永久磁石３０に向かい合わせて配置したヨーク６０と、磁気センサ４０に向かい合わせて配置したヨーク７０と、を備える。以下、詳述する。

対象部材５０は、例えば、自動車の足回り部品である。足回り部品の一つであるディスクブレーキのキャリパサポートに適用することにより、ブレーキ力を検知することができる。

起歪部２２は、板形状を有している。起歪部２２を板形状とすることによって、実応力が高くでき、対象部材５０に働く応力の検知を感度よく行うことができる。

起歪部２２には、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２６を設けている（図２（Ｂ）参照）。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得る。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。

対象部材５０への応力の入力に対して、起歪部２２が有効に歪むためには、取り付け板２４が、脚部２３をしっかり固定していることが必要である。対象部材５０の微少な変形を起歪部２２に忠実に伝えなければ、感度的に不利となるからである。このため、接続部材２５における脚部２３および取り付け板２４は次のように構成している。

対をなす脚部２３は、起歪部２２の長手方向の両端に設けている。起歪部２２が一対の脚部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、起歪部２２には、平均的な応力を負荷することになる。脚部２３同士の間には、内方空間２７を形成している。

取り付け板２４は、脚部２３のそれぞれの先端に設けている。図１から明らかなように、取り付け板２４は、脚部２３の断面積よりも大きな面積を有している。図１（Ａ）に左手側に示される取り付け板２４は、対象部材５０の突起部５１をカシメることによって、図において上側に示される辺、左側に示される辺、および下側に示される辺の三辺を押さえつけて、対象部材５０に対して固定している。図１（Ａ）に右手側に示される取り付け板２４は、対象部材５０の突起部５１をカシメることによって、図において上側に示される辺、右側に示される辺、および下側に示される辺の三辺を押さえつけて、対象部材５０に対して固定している。

脚部２３の断面積よりも大きい面積の取り付け板２４を備えることから、脚部２３を対象部材５０にしっかり接合したのと同様な効果を実現できる。また、固定方法が「カシメ」という機械的な手段であることから、固定を短時間で達成できる。さらに、対象部材５０には機械的にカシメて固定するための突起部５１を設けていることから、固定を容易に達成できる。

取り付け板２４は、板形状の起歪部２２と平行をなし、対象部材５０に設けた平坦部５２に固定することが好ましい。取り付け板２４を平坦部５２に密着させることによって、カシメの際に起歪部２２が塑性変形することを避けることができる。起歪部２２の塑性変形は、逆磁歪特性を劣化させるので、避けなければならない。感度が低下するばかりでなく、ヒステリシス、直線性が悪化してしまうからである。

取り付け板２４は、その一部を脚部２３同士の間の内方空間２７に伸びるように設けている（図１（Ａ）（Ｂ）参照）。図１（Ｂ）において左右方向から起歪部２２に圧縮力が作用した場合、この圧縮力は、起歪部２２の中央部分を図中上方に湾曲させようと働く。しかしながら、カシメられた突起部５１は、取り付け板２４のうち脚部２３よりも内方空間２７に位置する部分をも押さえつけている。したがって、取り付け板２４の浮き上がりを押えて、センサの性能劣化を防止することができる。

取り付け板２４は、対象部材５０に設けた嵌合部５３に嵌り合って固定している。対象部材５０に組み付けるときの磁歪式応力センサ１１の位置決めが容易になり、かつ、カシメによる固定をさらに確実なものとすることができる。嵌合部５３は、例えば、対象部材５０に形成した凹所５４から形成している。カシメられる突起部５１は、凹所５４の縁辺に沿って出っ張るように形成している。磁歪式応力センサ１１を対象部材５０に組み付けるときの向きの間違いを防止する観点から、取り付け板２４および凹所５４の一部に、正しい向きのときにのみ嵌まり合う形状を付加してもよい。

起歪部２２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。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。

起歪部２２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、パーメンデュール）、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。

第１の実施形態では、起歪部２２、対をなす脚部２３、および取り付け板２４は一体的に形成されている。したがって、対をなす脚部２３、および取り付け板２４も、起歪部２２と同じ材料から形成されている。

着磁方向に直交する永久磁石３０の両端面のうち一方の端面が起歪部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している。

本発明では、起歪部２２に作用する応力の方向と、永久磁石３０の着磁方向との関係は特に限定されるものではない。ただし、磁歪式応力センサ１１によって応力を精度よく的確に検出し、磁歪式応力センサ１１の小型化を図るためには、起歪部２２に作用する応力の方向（図１の矢印２１参照）と、永久磁石３０の着磁方向（矢印３１参照）とが、ほぼ直交していることが好ましい。

板状の起歪部２２の磁化は、永久磁石３０の磁界によって拘束されている。対象部材５０に圧縮が作用すると、起歪部２２には、接続部材２５を経由して圧縮応力が作用する。起歪部２２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）、漏れ磁束が増加する。逆に、起歪部２２に引張力が働くと、板面に平行な磁化が増えるため、漏れ磁束が減少する。漏れ磁束の増加または減少によって、応力を検知できる。

このように、磁歪式応力センサ１１では、起歪部２２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。起歪部２２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とすることによって、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、起歪部２２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、上記のレイアウトにあっては、永久磁石３０の磁極端面が起歪部２２に近く、起歪部２２を有効に磁化することができる。このため、永久磁石３０単体を小型化することができ、磁歪式応力センサ１１の小型化を図ることができる。

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１０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１０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３０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６０は、永久磁石３０を覆っている。ヨーク６０は、起歪部２２における歪みを阻害することがないように配置する。ヨーク６０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。

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１１の小型化を図ることができる。

磁気センサ４０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１１となるからである。

磁気センサ４０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。

ヨーク７０は、磁気センサ４０を覆っている。ヨーク７０は、起歪部２２における歪を阻害することがないように配置する。ヨーク７０を形成する材料は、軟磁性材料である。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１１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４０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３は、組み立てられた磁歪式応力センサ１１の外観の一例を示す斜視図である。

組み立てられた磁歪式応力センサ１１は、その取り付け板２４の部位において、対象部材５０に固定する。図示してないが、磁歪式応力センサ１１からはセンサケーブルを引き出している。磁歪式応力センサ１１を対象部材５０にカシメにより固定し、センサケーブルを結線するだけで、センサとして機能する。

起歪部を対象部材に接続するための構造として、起歪部に設けた脚部と対象部材とを溶接などによって接合する構造の場合には、前述したように、起歪部を対象部材に接合するときの熱によって、磁歪式応力センサの感度特性の劣化を招くことがある。例えば、マルエージング鋼を起歪部に適用した場合に、起歪部に設けた脚部を電子ビーム溶接や銀ロー付けによって対象部材に接合すると、起歪部の磁気特性や磁歪特性が低下する。これによって、磁歪式応力センサの感度特性が半分程度以下に劣化することがある。さらに、溶接箇所がセンサ内部に位置する場合には、組み立てが完了した磁歪式応力センサを溶接などによって接合することができない。このため、磁歪式応力センサの一部の部品を対象部材に接合し、接合した部品に磁歪式応力センサの残りの部品を組み付ける、という工順を採用することが必要になる。工順がよくないため、量産化が難しく、製造コストの増加を招き、磁歪式応力センサの実用化が阻害される結果となる。

本実施形態の磁歪式応力センサ１１によれば、センサの作製業者は磁歪式応力センサ１１を完成品として組み立て、対象部品の作製業者は磁歪式応力センサ１１を取り付け可能な加工を対象部品に施す。例えば、ブレーキ力を検知するために、ディスクブレーキのキャリパサポートに磁歪式応力センサ１１を適用する場合には、キャリパサポートの作製業者が、磁歪式応力センサ１１を取り付け可能な加工をキャリパサポートに施しておけば足りる。そして、その後は、組み立て場所にて、磁歪式応力センサ１１を対象部品に取り付けて、カシメて固定すればよい。磁歪式応力センサ１１を完成品として取り扱って対象部品に固定できるので、工順が良くなり、量産化が容易になり、製造コストの増加を抑えて、磁歪式応力センサ１１の実用化を図ることが可能となる。

以上説明したように、第１の実施形態の磁歪式応力センサ１１によれば、接続部材２５は、起歪部２２に設けられた対をなす脚部２３と、脚部２３のそれぞれの先端に設けられた取り付け板２４と、を含み、取り付け板２４は、脚部２３の断面積よりも大きな面積を有し、かつ、対象部材５０に設けた突起部５１をカシメて対象部材５０に対して固定している。このように、起歪部２２を対象部材５０に接続するための構造として、「カシメ」という機械的な固定手法を採用しているので、溶接やロー付けなどによって接合するときのような熱が起歪部２２に加わらず、磁歪式応力センサ１１の感度特性の劣化を招くことがない。さらに、「カシメ」という機械的な固定手法を採用しているので、溶接などの接合手法に比べて、起歪部２２を対象部材５０に接続するための構造が量産化に適したものとなる。また、脚部２３の先端に脚部２３の断面積よりも大きい面積の取り付け板２４を設け、この取り付け板２４を対象部材５０に固定しているので、脚部２３をしっかり接合したのと同様な効果を実現できることになる。したがって、この磁歪式応力センサ１１によれば、応力を精度良く的確に検出して実用化を図ることが可能となる。

起歪部２２は、板形状を有し、取り付け板２４は、起歪部２２と平行をなし、対象部材５０に設けた平坦部５２に固定されることから、カシメ固定の際に起歪部２２に塑性変形を与えることがなく、センサの性能劣化を招くことがない。

取り付け板２４は、その一部が脚部２３同士の間の内方空間２７に伸びて設けられていることから、起歪部２２に圧縮力が作用した場合でも、取り付け板２４の浮き上がりを押えて、センサの性能劣化を防止することができる。

取り付け板２４は、対象部材５０に設けた嵌合部５３に嵌り合って固定されことから、対象部材５０に組み付けるときの磁歪式応力センサ１１の位置決めが容易になり、かつ、カシメによる固定をさらに確実なものとすることができる。

起歪部２２に作用する応力の方向と、永久磁石３０の着磁方向とが、ほぼ直交していることから、磁歪式応力センサ１１によって応力を精度よく的確に検出でき、磁歪式応力センサ１１の小型化を図ることができる。

起歪部２２の、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から、圧縮力が働いても板が座屈することがなく、圧縮力にも高感度なセンサを得ることができる。

なお、カシメにより固定する場合に、突起部の高さを大きくしておき、カシメた突起部によって、起歪部２２の長手方向の端部、あるいは起歪部２２に接続した脚部２３の上部を押さえつける形態も考えることができる。しかしながら、このような形態の場合には、カシメ固定の際に起歪部２２に塑性変形が生じてしまい、センサの性能劣化を招くことになる。したがって、脚部２３の先端に設けた取り付け板２４を対象部材５０にカシメ固定することが必要となる。

（第１の実施形態の変形例）
図４は、取り付け板２４の変形例を示す断面図である。

第１の実施形態では、取り付け板２４の一部を脚部２３同士の間の内方空間２７に伸びるように設けた形態を示したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。

図４に示すように、取り付け板２４を、脚部２３よりも外方に伸びるように設けても良い。この形態においても、カシメられた突起部５１によって取り付け板２４を十分に押さえつけることができる。したがって、起歪部２２に圧縮力が作用した場合であっても、取り付け板２４の浮き上がりを押えて、センサの性能劣化を防止することができる。

図５（Ａ）（Ｂ）は、起歪部２２および接続部材２５の変形例を示す断面図である。

第１の実施形態では、起歪部２２および接続部材２５（脚部２３および取り付け板２４）を、磁歪を有する材料から一体的に作製した形態を示したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。

図５（Ａ）に示すように、起歪部２２と、接続部材２５とを別体にすることもできる。起歪部２２のみを磁歪を有する材料から作製し、接続部材２５（脚部２３および取り付け板２４）を他の材料から作製する。そして、両者を溶接などによって接合し、その後に熱処理を施してもよい。

図５（Ｂ）に示すように、起歪部２２および接続部材２５の脚部２３を磁歪を有する材料から作製し、接続部材２５の取り付け板２４のみを他の材料から作製する。そして、両者を溶接などによって接合し、その後に熱処理を施してもよい。

図６は、対象部材５０に設けた嵌合部５３の変形例を示す断面図である。

第１の実施形態では、嵌合部５３を、１つの凹所５４から形成した形態を示したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。

図６に示すように、対象部材５０の平坦部５２に凸状部５５を設け、取り付け板２４のそれぞれが嵌り合う複数個（図示例では２個）の凹所５６、５６から嵌合部５３を形成してもよい。対象部材５０に組み付けるときの磁歪式応力センサ１１の位置決めが一層容易になる。しかも、それぞれの取り付け板２４は図中左右方向から挟持されることになるので、取り付け板２４を対象部材５０に対して固定する力が増し、センサの性能を長期にわたって維持することができる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態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の実施形態は、対象部材５０の本体部５７とは別体に形成したセンサ受け部５８に磁歪式応力センサ１１を固定するようにした点で、対象部材５０の本体部５７に磁歪式応力センサ１１を直接固定するようにした第１の実施形態と相違している。

図７に示すように、取り付け板２４は、対象部材５０の本体部５７とは別体に形成されるとともに本体部５７に一体的に接合されたセンサ受け部５８に固定する形態でもよい。センサ受け部５８に、カシメられる突起部５１を設けている。本体部５７には、センサ受け部５８を嵌め込む凹所５７ａを設けている。センサ受け部５８は、溶接などによって本体部５７に接合する。

第２の実施形態では、センサ受け部５８を対象部材５０の本体部５７とは別体に作製し、センサ受け部５８を本体部５７に接合し、その後、センサ受け部５８に磁歪式応力センサ１１をカシメにより機械的に固定する。

上記のように、取り付け板２４は、対象部材５０の本体部５７とは別体に形成されるとともに本体部５７に一体的に接合されたセンサ受け部５８に固定されることから、突起部５１を備えるセンサ受け部５８の加工が容易になり、本体部５７の加工も簡易なものとなる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態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３の実施形態に係る磁歪式応力センサ１２は、起歪部２２に作用する応力の方向（図８の矢印２１参照）と、永久磁石３３の着磁方向（矢印３４参照）とが平行である点で、起歪部２２に作用する応力の方向と、永久磁石３０の着磁方向とが、ほぼ直交している第１の実施形態に係る磁歪式応力センサ１１と相違している。

前述したように、起歪部２２に作用する応力の方向と、永久磁石の着磁方向との関係は特に限定されるものではない。図８に示すように、起歪部２２に作用する応力の方向と、永久磁石３３の着磁方向とが平行をなすように、永久磁石３３を配置しても、磁歪式応力センサとして十分に機能する。

永久磁石３３は矢印３４のように平行に着磁されている。板状の起歪部２２の裏側にはヨーク７１、７１が対をなして設けてある。リニアホールＩＣなどから構成した磁気センサ４０は、起歪部２２と平行な磁束を検知するように、ヨーク７１、７１間に配置している。このように構成すると、感度のよい応力センサとなる。

以上説明してきたように、本発明の磁歪式応力センサ１１、１２によれば、センサ特性が確保され、かつ、センサの対象部材５０への取り付けが簡単になり、かつ工順も良くなることから、その有用性は飛躍的に向上している。

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１および図２に示した、起歪部２２および接続部材２５（脚部２３および取り付け板２４）をパーメンデュール（Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２合金）を用いて機械加工にて一体的に作製した。図２（Ｂ）において、起歪部２２の板厚さは０．７ｍｍ、薄板部の幅は７ｍｍ、フランジ部２６を含む全幅は８ｍｍである。両端部フランジ部２６の厚さは１．０ｍｍである。接続部材２５の脚部２３の断面は３ｍｍ×１１ｍｍである。脚部２３の高さは４．５ｍｍである。脚部２３に設けた取り付け板２４の厚さは１．５ｍｍ、面の大きさは５．５ｍｍ×１３ｍｍである。すなわち、脚部断面に対して長手方向（センサ外方向）以外は１．０ｍｍ大きく、長手方向（センサ外方向）には１．５ｍｍ大きい。機械加工した起歪部２２は、熱処理（水素中８４０℃で２ｈｒ保持、１００℃／ｈｒで４００℃以下まで炉冷）を行った。

対象部材５０は、ＳＵＳ３０４を用いて、突起部５１および平坦部５２も図示のような形状に機械加工にて作製した。

そして、対象部材５０の突起部５１をカシメることによって、取り付け板２４を押さえつけて、対象部材５０に対して固定した。

永久磁石３３用のヨーク６０は、パーメンデュールから作製し、起歪部２２と同じ熱処理を行ったものを用いた。磁気センサ４０用のヨーク７０は、ＰＢパーマロイから作製し、機械加工後、１２００℃で２ｈｒ、純水素中にて熱処理を行ったものを用いた。

永久磁石３３には、φ６ｍｍ、長さ１．８ｍｍのＳｍＣｏ磁石を用いた。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。

磁気センサ４０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。

圧縮力を与えて、このセンサの感度を調べた。圧縮応力感度は１００ＭＰａで、約１００Ｇであった。なお、この応力感度とは、起歪部２２における応力をもって定義している。また、感度は磁束密度の変化代で定義している。

（比較例）
図９は、比較例に係る磁歪式応力センサ１００を、対象部材５０に取り付けた状態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てある。

図９に示した比較例に係る磁歪式応力センサ１００を、実施例１と同様にして作製した。すなわち、起歪部２２および脚部２３を図示される形状にパーメンデュールを用いて機械加工にて一体的に作製した。取り付け板は設けていない。熱処理の後、銀ロー付け１０１にて脚部２３を対象部材５０に接合した。それ以外はすべて実施例１と同様にした。応力感度も実施例１と同じであった。

この比較例および実施例１の結果から、カシメによる機械的な固定構造であっても、センサとして十分な機能を発揮することを確認した。

（実施例２）
起歪部および接続部材（脚部および取り付け板）を、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）を用いて機械加工にて一体的に作製した。永久磁石用のヨークも、マルエージング鋼から作製した。これら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。これら以外は実施例１と同じとした。

圧縮感度を調べた結果、マルエージング鋼において期待される感度が得られた。具体的には、実施例１における場合の約１／３となっていた。

（実施例３）
図８に示したに第３の実施形態に係る磁歪式応力センサ１２を作製した。すなわち、実施例２に対して、永久磁石３３と磁気センサ４０との向き、磁気センサ４０用のヨーク７１、７１を変更した。永久磁石３３はＳｍＣｏで、大きさは２．５ｍｍ×５ｍｍ×７ｍｍである。７ｍｍの方向が着磁方向である。磁気センサ４０用のヨーク７１、７１は、ＰＢパーマロイから作製した。

応力感度を調べたところ、実施例１に匹敵する感度となっていた。

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を、対象部材に取り付けた状態を示す平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図である。 図２（Ａ）は、図１（Ａ）の２Ａ−２Ａ線に沿う断面図、図２（Ｂ）は、図１（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線に沿う断面図である。 組み立てられた磁歪式応力センサの外観の一例を示す斜視図である。 取り付け板の変形例を示す断面図である。 図５（Ａ）（Ｂ）は、起歪部および接続部材の変形例を示す断面図である。 対象部材に設けた嵌合部の変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す断面図である。 比較例に係る磁歪式応力センサを、対象部材に取り付けた状態を示す断面図である。 図１０（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、１２ 磁歪式応力センサ、
２１ 起歪部に作用する応力の方向を示す矢印、
２２ 起歪部、
２３ 脚部、
２４ 取り付け板、
２５ 接続部材、
２６ フランジ部、
２７ 内方空間、
３０、３３ 永久磁石、
３１、３４ 永久磁石の着磁方向を示す矢印、
４０ 磁気センサ、
５０ 対象部材、
５１ 突起部、
５２ 平坦部、
５３ 嵌合部、
５４ 凹所（嵌合部）、
５５ 凸状部、
５６ 凹所（嵌合部）、
５７ 本体部、
５７ａ 凹所、
５８ センサ受け部、
６０ 永久磁石用のヨーク、
７０ 磁気センサ用のヨーク、
７１ 磁気センサ用のヨーク。

Claims (7)

1. 磁歪を有する材料から形成され歪を生じる起歪部と、応力が作用する対象部材に前記起歪部を接続するための接続部材と、前記起歪部に近接して配置された永久磁石と、前記起歪部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、前記対象部材から前記接続部材を経由して前記起歪部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、前記起歪部に作用する応力を検出する磁歪式応力センサであって、
   前記接続部材は、前記起歪部に設けられた対をなす脚部と、前記脚部のそれぞれの先端に設けられた取り付け板と、を含み、前記取り付け板は、取り付け板面に平行な断面における前記脚部の断面積よりも大きな面積を有し、かつ、前記対象部材に設けた突起部をカシメて前記対象部材に対して固定されてなる磁歪式応力センサ。
2. 前記起歪部は、板形状を有し、
   前記取り付け板は、前記起歪部と平行をなし、前記対象部材に設けた平坦部に固定される請求項１に記載の磁歪式応力センサ。
3. 前記取り付け板は、その一部が脚部同士の間の内方空間に伸びて設けられている請求項１または請求項２に記載の磁歪式応力センサ。
4. 前記取り付け板は、前記対象部材に設けた嵌合部に嵌り合って固定される請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
5. 前記取り付け板は、前記対象部材の本体部とは別体に形成されるとともに前記本体部に一体的に接合されたセンサ受け部に固定される請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
6. 前記起歪部に作用する応力の方向と、前記永久磁石の着磁方向とが、ほぼ直交している請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。
7. 前記起歪部の、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請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁歪式応力センサ。

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