JP6784985B1 - ひねり応力センサ素子およびひねり応力センサ - Google Patents
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Abstract
Description
SIセンサについては、特許文献1および特許文献2に開示されている。ここで、応力インピーダンスとは、磁性ワイヤに歪みが負荷されると磁性ワイヤのインピーダンスが歪量に応じて変化する現象で、わずかな歪みで大きなインピーダンス変化を生ずる高感度歪みゲージが開発されている。
一方、特許文献2(実施例1)には、応力検知体である磁性ワイヤは、負磁歪のCo系アモルファスワイヤで、直径30μm、長さ20mmにて、励磁周波数20MHzで、1286の歪みゲージ率が得られている。これは半導体歪みゲージの6.5倍も高い値である。
非特許文献2(図2)によると、素子の長さ4mm、幅2mmとして、励磁周波数を15MHz、電流の強さ9.5mAの場合に、歪みゲージ率2000程度を得ることができると報告している。
なお、外部磁界が大きい場合や高感度の歪みゲージ率の場合には、外部磁界の影響を受けやすくなるため磁気シールドの技術開発も併せて求められている。
第2の課題は、簡単に被試験体に取り付けることができるフレキシブルタイプのSI素子を開発することである。
第3の課題は、ひねり応力をピンポイントで測定できるひねり応力センサを考案することである。
第4の課題は、ひねり応力と同時にかかる引張圧縮応力を測定できるようにすることである。
第5の課題は、ひねり応力センサへの外部磁界の影響を解消する磁気シールドを開発することである。
その結果、磁歪ワイヤの直径を30μmから10μmに変更することで、3倍程度高い歪みゲージ率を得ることができることを見出した。また、磁歪ワイヤの直径が小さくなるほど、歪みゲージ率に及ぼす周波数のピーク周波数は増加し、かつ最適周波数における歪みゲージ率が増大することを見出した(図1)。磁歪ワイヤの直径を30μmから10μmへと小さくすると、最適周波数は、20MHzから200MHzに増加して、最適周波数における歪みゲージ率は周波数の平方根に比例して増加することが分かった。
SI素子に磁歪ワイヤの直径30μmで長さ20mmの場合のゲージ率は1000程度であるが、長さを2mmと短くするとゲージ率は100程度と激減した。他方、SI素子の磁歪ワイヤの直径10μmで長さ1mm、2mmおよび4mmとした場合、歪みゲージ率は1100程度、2300程度および4500程度となった。以上の知見を基に第1の課題を解決した。
なお、磁歪ワイヤとしては、Co系アモルファスワイヤ、Fe系アモルファスワイヤどちらでも使用できる。
また、本素子は、磁歪ワイヤ径は溝に埋設されていてもいいし、その一部が溝に埋設されず基板面上に凸部を形成していてもよい。さらに基板上の溝を線状のマークとしてマーク線に沿ってワイヤを整列させ、接着剤で固定してもよい。
以上の考案により第2の課題を解決した。
被試験体の表面応力を測定するひねり応力センサ素子は、フレキシブル基板上に4個の応力インピーダンスセンサ素子(X1、X2、Y1、Y2)が原点(O点)を中心として4回対称に対角線上に配置するという複合素子とすることに思い至った。
上記複合素子の4ケ所のひねり応力を、図3に示す電子回路を使って計測し、ひねり応力σx1、σx2、σy1、σy2に対応するVx1、Vx2、Vy1、Vy2を求めた。作動素子の出力電圧Vx=Vx1−Vx2,Vy=Vy1−Vy2は、σx=σx1―σx2、σy=σy1―σy2と直線的関係にあった。その結果を図4に示す。
各々の応力インピーダンスセンサ素子が計測する応力(σx1、σx2、σy1、σy2)について、X軸方向の応力であるσx1およびσx2 を加算し、X軸方向と直交するY軸方向の応力であるσy1およびσy2 を加算し、次にX軸方向の加算値とY軸方向の加算値との差分σxyは、σxy=(σx1+σx2)−(σy1+σy2)なる式で算出して、原点(O点)の位置におけるひねり応力の測定を可能とする。
また、ひねり応力が負荷している状態での引張圧縮応力Pは、4か所の応力σx1、σx2、σy1、σy2に対応する4つの測定値Vx1、Vx2、Vy1、Vy2を平均化して求めることができることを見出した。つまりP=P=1/4(Vx1+Vx2+Vy1+Vy2)。引張圧縮応力は、Vx1とVx2、Vy1とVy2では正負が反転しているため、加算すると打消し、接触圧力成分のみが残るためである。
以上の考案により、第3の課題を解決した。
これにより、医療分野のロボット治療化に必要な微妙なひねり応力を計測可能にして、将来のロボット医療化に貢献する技術である。
フレキシブル基板は、長さは1.5〜4.5mm、幅は1.5mm〜4mmからなり、
応力インピーダンスセンサ素子は、応力検知体としてアモルファス磁歪ワイヤとアモルファス磁歪ワイヤの両端には磁歪ワイヤ端子(磁歪ワイヤ出力端子および磁歪ワイヤグランド端子)を備え、アモルファス磁歪ワイヤの直径は5〜18μm、長さは0.5〜3.0mmからなり、出力電極は、磁歪ワイヤ出力端子と配線を介してそれぞれ接続され、グランド共通電極は、原点に位置して4個の磁歪ワイヤグランド端子と結合しており、グランド電極は、グランド共通電極と配線を介して接続されている。
そして、好ましくは、アモルファス磁歪ワイヤは、磁性薄膜により取り囲まれている。
ひねり応力センサ素子1のサイズは、小さいほど好ましいが歪みゲージ率が低下するので、フレキシブル基板(以下、基板という。)のサイズは長さ1.5〜4.5mm、幅1.5〜4.0mmとする。ひねり応力センサの用途に応じて長さ1.5〜6.5mm、幅1.3〜6.0mmと大きくすることもできる。
ここで用いる応力インピーダンスセンサ(以下、SIセンサという。)は、SIセンサ素子の長さが0.5〜4.0mmで、歪みゲージ率2000〜5000を有するものである。
X軸方向にO点を中心としてX1とX2が対称(2回対称)に配置され、X軸方向と直交するY軸方向にO点を中心としてY1とY2が対称(2回対称)に配置されているので、合わせて4回対称になる。そして、X1とX2はX軸方向に、Y1とY2はY軸方向に配置されており、直交していることから対角線上に配置されている。
ここで、O点は基板の中心部とすることが好ましい。
ひねり応力センサ素子1の基板11は、SI素子12(図8:SI素子3)の基板31も兼ねている。
すなわち、ひねり応力センサ1の基板11上にO点を設定し、O点を中心として4個のSI素子12を配置するため、O点を中心として対角線上に磁歪ワイヤ33を設置する溝32を基板31に形成して磁歪ワイヤを溝32内に樹脂で接着剤して固定する。磁歪ワイヤの両端には、磁歪ワイヤ出力端子341と磁歪ワイヤグランド端子342が金属蒸着により形成される。
4個の出力電極13は、配線16を介して磁歪ワイヤ出力端子341と接続されている。外部の電子回路2A(図示せず)へはリード線17により接続されている。出力電極13は、金属蒸着により形成され、直径は40〜80μmである。
グランド共通電極14は、O点に位置して4個の磁歪ワイヤグランド端子342と結合しており、配線16を介してグランド電極15に接続されている。外部の電子回路2Aへはリード線18により接続されている。
グランド共通電極14は、金属蒸着またはメッキで形成され、直径80〜120μmである。グランド電極14は、金属蒸着で形成され、直径40〜80μmである。
ここで、磁歪ワイヤ33の磁歪ワイヤグランド端子342は、グランド共通電極14が兼用して省略してもよい。また、グランド共通電極14は金属メッキでもよい。
SI素子3(図8〜9)は、フレキシブル基板(基板)31、アモルファス磁歪ワイヤ(以下、磁歪ワイヤという。)33、磁歪ワイヤ出力端子341および磁歪ワイヤグランド端子342から構成される。
また、SI素子3A(図10〜12)は、基板31、レジスト層31R、パーマロイ31P、磁歪ワイヤ33、磁歪ワイヤ出力端子34、磁歪ワイヤ出力端子341および磁歪ワイヤグランド端子342、配線35から構成される。
応力検知体である磁歪ワイヤ33、磁歪ワイヤ出力端子341および磁歪ワイヤグランド端子342を配置する基板31は、応力の負荷状態を測定する被試験体に貼りつけられたアモルファス磁歪ワイヤ33が微小な応力を検知できるように柔軟性を有するフレキシブル基板31とする。これにより、基板31の表面は被試験体の表面部に、平坦な面のみでなく丸みのあるR面などに容易に接着剤で固定できる。
基板31(31R)の上に磁歪ワイヤ33を配置するための溝32(ガイド溝)を形成し、その溝32に磁歪ワイヤ33を配置し、接着する。これにより、磁歪ワイヤ33は基板31(31R)に確実に固定できる。
溝33と磁歪ワイヤ32との関係は、磁歪ワイヤ33の直径の上部が基板(31R)表面と同じか溝内に埋もれている場合、あるいは磁歪ワイヤ33の直径の一部が基板(31R)表面より凸部を形成してもよい。
磁歪ワイヤ33の上部あるいは凸部は絶縁性樹脂を被覆する。基板(31R)表面を被試験体の表面部に接着剤で固定する際の絶縁性を確保するためである。
応力検出体として、アモルファス磁歪ワイヤを用いる。微小な応力を検知するために可能な限り磁歪ワイヤの直径(断面積S)は小さいほど歪みゲージ率が高くなることから、直径5μm〜18μmとする。直径5μm以上としたのは、それ以下の磁歪ワイヤは製造が困難であるからである。磁歪ワイヤの長さは、0.5mm〜3.5mmとして、好ましくは0.5mm〜2.5mmとして素子の小型化を図る。長さを0.5mm以上としたのは、それ以下だと十分なゲージ率を得ることができないためである。
材質は、Co系アモルファス磁歪ワイヤ、Fe系アモルファス磁歪ワイヤでもよい。 また、磁歪ワイヤは、直径5〜18μmのガラス被覆付きのアモルファス磁歪ワイヤでもよい。
磁歪ワイヤに生じたインピーダンスの変化量を磁歪ワイヤ33から、磁歪ワイヤの両端に形成した磁歪ワイヤ端子34から、一端子は配線16により出力電極17、他端子はグランド共通電極14、配線16を介してグランド電極18に伝えている。
また、図10に示すように、磁歪ワイヤ33の両端に磁歪ワイヤ端子34を設け、配線35を介して磁歪ワイヤ出力端子341と磁歪ワイヤグランド端子342へ伝え、磁歪ワイヤ出力端子341は配線16により出力電極17へ、磁歪ワイヤグランド端子342はグランド共通電極14、配線16を介してグランド電極18に伝えている。
ガラス被覆付きの磁歪ワイヤは、溝に配置したときや被試験体に固定したときなどに絶縁性の確保を確実にできるので短絡の恐れが無い。
また、アモルファス磁歪ワイヤは、四角環または楕円環の磁性薄膜により取り囲まれている。
これにより、外部磁界の影響を受けることなく、高い歪みゲージ率を有するSI素子を得ることができる。
図11に示すSI素子3Aにおいて、基板31上にレジスト層31Rに設けられている溝32に磁歪ワイヤ33が配置され、磁歪ワイヤ33の両端には磁歪ワイヤ端子34がそれぞれ形成され、配線35により基板31の両端部に形成されている磁歪ワイヤ出力端子341と磁歪ワイヤグランド端子342に接続されている。
パーマロイ31Pからなる磁性薄膜が、磁歪ワイヤ33の周囲に四角環状に基板31またはレジスト層31Rの上に形成されている。基板31に接続配線15が配置されている一辺は絶縁性を有するレジスト層31Rおよび絶縁被覆されている基板31の上にパーマロイ31Pを形成し、他の三辺は絶縁被覆されている基板31上にパーマロイ31Pを形成し、より磁気シールド効果を高めている。
本発明においては、磁歪ワイヤを外部磁界からシールドできる磁性薄膜であれば、上記四角環、楕円環の形状や包袋状の形状に制限されない。
磁性薄膜の材質は、パーマロイなどシールド機能を有するならば材質は問わない。
SIセンサの電子回路2は、パルス発振器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および増幅器からなる。
はじめに、ワイヤに通電するパルス電流の周波数は100〜500MHzである。磁歪ワイヤを5〜18μmと細径化する場合には高周波とすることにより、ゲージ率を改善することができるからである。
ひねり応力センサは、ひねり応力センサ素子と電子回路とを備えている。
ひねり応力センサ素子を構成する4個の応力インピーダンスセンサ素子は、フレキシブル基板上に原点を中心として4回対称に対角線上に配置された複合素子で、かつ4個の応力インピーダンスセンサ素子の向きは被試験体の取り付け軸方向に対して45度に傾斜するように取り付けられている。
電子回路は、パルス発振器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および信号処理回路を備えている。パルス発振器は、アモルファス磁歪ワイヤに周波数は100MHz〜500MHzの高周波電流またはパルス電流を通電し、高速電子スイッチは、アモルファス磁歪ワイヤのインピーダンス変化量に対応するパルス波形電圧のピーク電圧を検波し、ピークホールド回路は、検波したピーク電圧をホールドし、信号処理回路は、ホールドした電圧を信号処理することにより原点位置におけるひねり応力を測定する。
各々の応力インピーダンスセンサ素子が計測する応力(σx1、σx2、σy1、σy2)について、X軸方向の応力であるσx1およびσx2 を加算し、X軸方向と直交するY軸方向の応力であるσy1およびσy2 を加算し、次にX軸方向の加算値とY軸方向の加算値との差分σxyは、σxy=(σx1+σx2)−(σy1+σy2)なる式で算出して、原点(O点)の位置におけるひねり応力の測定を可能とする。
また、ひねり応力が負荷している状態での引張圧縮応力Pは、4か所の応力σx1、σx2、σy1、σy2に対応する4つの測定値Vx1、Vx2、Vy1、Vy2を平均化すると求めることができる。つまり、P=P=1/4(Vx1+Vx2+Vy1+Vy2)である。引張圧縮応力は、Vx1とVx2、Vy1とVy2では正負が反転しているため、加算すると打消し、接触圧力成分のみが残るためである。
σxy=(σx1+σx2)―(σy1+σy2) ・・・(1)
σp =1/4(σx1+σx2+σy1+σy2) ・・・(2)
電子回路2Aは、4個のSI素子23(23A、23B、23C、23D)の信号を処理するために、パルス発振器21は共通にして、電子スイッチ24(24A、24B、24C、24D)で切り換えながら各SI素子23に通電し、SI素子23から発生するひねり応力に応じた電力波形を、そのピークで高速電子スイッチ24(24A、24B、24C、24D)により検波してサンプルホールド回路26(26A、26B、26C、26D)でサンプルホールドし、増幅器27(27A、27B、27C、27D)で増幅するが、この回路はSI素子23毎に検波タイミングと増幅度を調整する必要があるので、4個の回路部を4個とした。4個の回路部の信号電圧は電子スイッチ28(28A、28B、28C、28D)を介して信号処理回路(図示せず)に連結されて、順次測定を行い、ひねり応力(σx1、σx2、σy1、σy2)を求めることができる。
ここで、図14の例に示す4個の電子スイッチ22および23を用いずに、図3の例に示す電子回路を4個設けて、4個の回路を並列使用して、ひねり応力(σx1、σx2、σy1、σy2)を求めることも可能である。
この取付け状態で、ひねり応力(σx1、σx2、σy1、σy2)を測定すると、X方向の応力であるσx1とσx2 を加算し、Y方向の応力であるσy1とσy2 を加算し、次に両者の差分σxyをσxy=(σx1+σx2)−(σy1+σy2)なる式で算出すると、原点O点でのひねり応力を得ることができる。
実施例は、フレキシブル基板11上に、4個のSI素子12と4個の出力電極13および配線16、並びにグランド共通電極14とグランド電極15および配線16から構成されるひねり応力センサ素子1とする。
ひねり応力センサ素子のサイズは、幅3.0mm、長さ3.5mm、厚さ0.11mmである。
なお、4個の出力電極13および1個のグランド電極15を配置するひねり応力センサ素子1の長手方向の端部(図5の上端部)からは、外部の電子回路14へ接続しているリード線5本(出力電極から4本のリード線17とグランド電極から1本のリード線18)が延びている。
磁歪ワイヤ33は、レジスト層31Rの表面より直径の一部(2μm)が凸部となって基板11(レジスト層31R)の表面より張り出している。
磁歪ワイヤ33の凸部分および磁歪ワイヤ33の配置されている溝32内は、樹脂37により被覆・絶縁される。
原点O点には、4個の磁歪ワイヤグランド端子342を全て結合するように直径100μmの銅メッキによりグランド共通電極14が形成される。次に、直径50μmの4個の出力電極13と1個のグランド電極15、ならびに磁歪ワイヤ出力端子341と出力電極13を接続する4本の配線16およびグランド共通電極15とグランド電極15を接続する1本の配線16が金蒸着により形成されている。
電子回路2Aは、1個のパルス発振器21、4個の電子スイッチ22、4個のSI素子23、SI素子が発するパルス電圧波形のピーク値をサンプルホールドする4個のピークホールド回路26からなる。パルス電流の場合には、磁歪ワイヤが発するパルス信号波形のピーク値をサンプルホールドするピークホールド回路26は高速電子スイッチ24とコンデンサ25からなっている。ピークホールドされた電圧は4個の増幅器27で増幅処理されて、4個の電子スイッチ28で切り替えられて出力電圧として出力される。出力電圧は、被試験体にかけられた応力に比例する(図4)。
また、磁歪ワイヤ33は、直径10μmで長さ1.8mmよりアスペクト比、L/S=21となる。
よって、歪みゲージ率は2100となる。
また、ひねり応力1kg/mm 2 当たり、200mVもの大きな電圧を得ることに成功した。ノイズは、0.20μV程度で、検出能は0.1g/mm 2 となった。
11:フレキシブル基板(基板)、12:SI素子(応力インピーダンスセンサ素子)、13:出力電極、14:グランド共通電極、15:グランド電極、16:配線、17:リード線(出力電極用)、18:リード線(グランド電極用)
2:電子回路
21:パルス発振器、22:電子スイッチ、23:SI素子、24:高速電子スイッチ、25:コンデンサ、26:サンプルホールド回路、27:増幅器
2A:電子回路
21:パルス発振器、22(22A、22B、22C、22D):電子スイッチ、23(23A、23B、23C、23D):SI素子、24(24A、24B、24C、24D):高速電子スイッチ、25(25A、25B、25C、25D):コンデンサ、26(26A、26B、26C、26D):サンプルホールド回路、27(27A、27B、27C、27D):増幅器、28(28A、28B、28C、28D):電子スイッチ
3:SI素子
31:基板、31R:レジスト層、32:溝、33:アモルファス磁歪ワイヤ(磁歪ワイヤ)、34:磁歪ワイヤ端子、35:配線、361:磁歪ワイヤ出力電極、362:磁歪ワイヤグランド電極
3A:SI素子(磁気シールドタイプ)
31:基板、31R:レジスト層、31P:パーマロイ、32:溝、33:磁歪ワイヤ、34:磁歪ワイヤ端子、35:配線、361:磁歪ワイヤ出力電極、362:磁歪ワイヤグランド電極
Claims (4)
- フレキシブル基板上に、原点を中心として4回対称に対角線上に配置されている4個の応力インピーダンスセンサ素子と、4個の出力電極、1個のグランド共通電極と1個のグランド電極および3本の配線を備えるひねり応力センサ素子において、
前記フレキシブル基板は、長さは1.5〜4.5mm、幅は1.5mm〜4mmからなり、
前記応力インピーダンスセンサ素子は、応力検知体としてアモルファス磁歪ワイヤと前記アモルファス磁歪ワイヤの両端には磁歪ワイヤ出力端子および磁歪ワイヤグランド端子を備え、前記アモルファス磁歪ワイヤの直径は5〜18μm、長さは0.5〜2.5mmからなり、
前記出力電極は、前記磁歪ワイヤ出力端子と前記配線を介してそれぞれ接続され、
前記グランド共通電極は、原点に位置して4個の前記磁歪ワイヤグランド端子と結合しており、
前記グランド電極は、前記グランド共通電極と前記配線を介して接続されていることを特徴とするひねり応力センサ素子。 - 請求項1において、
前記アモルファス磁歪ワイヤは、四角環または楕円環の磁性薄膜により取り囲まれていることを特徴とするひねり応力センサ素子。 - ひねり応力センサ素子と電子回路とからなるひねり応力センサにおいて、
フレキシブル基板上に、原点を中心として4回対称に対角線上に配置されている4個の応力インピーダンスセンサ素子と、4個の出力電極、1個のグランド共通電極と1個のグランド電極および3本の配線を備えてなり、
前記フレキシブル基板は、長さは1.5〜4.5mm、幅は1.5mm〜4mmからなり、
前記応力インピーダンスセンサ素子は、応力検知体として磁性薄膜に取り囲まれている直径は5〜18μm、長さは0.5〜3.0mmからなるアモルファス磁歪ワイヤと前記アモルファス磁歪ワイヤの両端の磁歪ワイヤ出力端子および磁歪ワイヤグランド端子とからなり、
4個の前記応力インピーダンスセンサ素子の向きは、被試験体の取り付け軸方向に対して45度に傾斜するように取り付けられており、
前記出力電極は、前記磁歪ワイヤ出力端子と前記配線を介してそれぞれ接続され、
前記グランド共通電極は、原点に位置して4個の前記磁歪ワイヤグランド端子と結合しており、
前記グランド電極は、前記グランド共通電極と前記配線を介して接続され、
前記電子回路は、パルス発振器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および信号処理回路を備えてなり、
前記パルス発振器は、前記アモルファス磁歪ワイヤに周波数は100MHz〜500MHzの高周波電流またはパルス電流を通電し、
前記高速電子スイッチは、前記アモルファス磁歪ワイヤのインピーダンス変化量に対応するパルス波形電圧のピーク電圧を検波し、
前記ピークホールド回路は、検波したピーク電圧をホールドし、
前記信号処理回路は、ホールドした電圧を信号処理することにより、
原点位置におけるひねり応力を測定することを特徴とするひねり応力センサ。 - 請求項3において、
前記信号処理回路は、4個の前記応力インピーダンスセンサ素子の測定値をσx1、σx2、σy1、σy2とすると、ひねり応力σxyを関係式(1)により、引張圧縮応力σをは関係式(2)により、原点O点位置におけるひねり応力と引張圧縮応力を同時に求めることができる回路からなることを特徴とするひねり応力センサ。
σxy=(σx1+σx2)―(σy1+σy2) ・・ ・(1)
σp =1/4(σx1+σx2+σy1+σy2) ・・・(2)
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