JPH04181103A - 歪みセンサユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、歪み測定に用いる歪みセンサに関し、特に素
子か結晶質の磁性金属や、アモルファス、アモルファス
合金、アモルファス金属或いは非晶質金属と呼ばれる主
として金属元素から構成され、溶融状態から急速に冷却
固化して製造された為結晶構造を持たない材料（以下ア
モルファスという）の磁歪特性を利用して、回転軸に加
えられるトルクに伴う歪みや、各種機械の強度部材に負
荷される圧縮、引張り、曲げによる歪み（以下単に、歪
みという）を非接触で電磁気的に検出するために用いる
ことかてきる歪みセンサユニットに関する。

なお、ここで歪みを検知する、という表現を用いている
か、回転軸や強度部材の歪みか分かれば、その回転軸や
部材の材料の特性から負荷される応力か推定されるのて
、歪みセンサは応力センサ、或いは回転トルクを検出す
る場合、歪みセンサはトクルセンサと同意である。

（従来の技術） これまでに金属やアモルファスの磁歪特性を利用して歪
みを測定しようとする試みは多くなされている。しかし
、通常の磁性金属の場合は磁気出力か低く、磁気出力の
高いアモルファスは急冷法の他にスパッタ法、気相化学
法、メツキ法等種々な方法で製造され得るか、何れも数
１００μｍ未満の薄板、細線、粉末状の製品としてしか
得られず、限られた用途に用いられるに過ぎなかった。

従って磁性金属の場合は、多くは歪みに対する磁気→電
気信号出力か小さく、歪み＝磁気→電気の３段階の変換
をするについては、歪みに関しては原動機等の振動によ
る歪み雑音、磁気に関しては周囲の環境条件による磁気
雑音、電気に関しては同様に周囲の電子、電気機器から
の伝播雑音等や電気増幅する際の回路上の雑音等が影響
する。それらの雑音は、歪みの大小、歪みの変化の大小
にはほぼ係わりかないのて、歪みの変化か小さいと信号
出力の変化に対する雑音が大きく、すなわち所謂Ｓ／Ｎ
比が低く、精密な測定か困難となる。また、磁性金属で
も優れた磁歪特性を有するものかあるか、そのものに応
力をかけて歪みを測定すること、　を考えると、強度、
経時特性、経済面の問題かあって実用的でない。一方ア
モルファスの場合は、上記のように形状が限られている
ため、それを強度部材とすることには同様に問題かあり
、粉体を爆発て圧縮成形したり、特開平］−２２４６２
３号「トルクセンサ」に示されるように、爆発て通常金
属に接合したりすることも試みられている力）、技術的
、経済的な問題か多く実用化されてない。

（発明か解決しようとする課題） 前節で説明したように、通常の磁性金属、例えば鉄鋼の
歪みをその磁性金属の磁歪を利用して測定しようとして
も、出力か低いため、低歪みの測定か困難てあり、また
雑音に対してもＳ／Ｎ比か低く、実用化か大変に困難で
ある。一方、磁気特性の優れた金属を強度部材として使
用して、その歪みを電磁気的に測定しようとすると、磁
気特性の経時変化か大きく、技術的に解決することか困
難であると共に、経済的にも適当てない。他方、既述の
ようにアモルファスは箔や線、粉体としてしか得られな
いため、そのまま強度部材として使用することはできず
、また組成によって異なるか、３００°Ｃから４００°
Ｃ以上の温度で結晶化してアモルファスでなくなってし
まい、その優れた磁気特性を失うので、熱をかけて焼結
したり、溶接や熱間圧接を利用することかできない。火
薬類の爆発圧力を利用して圧縮成形したり、通常の金属
に爆発圧接して使用することも試みられているか、多く
の繁雑な工程を経たり、経済的な困難かあって実用化か
難しい。また、合成樹脂によってアモルファス箔を歪み
測定対象物に接着することも試みられ、一部実用化され
ているか、使用環境の許容温度か狭く、繰り返し応力に
対する疲労か早いという欠点かあり、例えば自動車用の
センサのように使用温度範囲が一４０°Ｃから＋１５０
°Ｃ１繰り返し疲労回数が１０’回というような厳しい
条件には耐えられない。

これらのうち、数１０μｍの厚さのアモルファスの箔を
通常の金属の表面に爆発圧接して、磁気特性をアモルフ
ァス部分に受は持たせ、強度を金属に受は持たせようと
する試みか最も実用に近いと考えられるが、技術的に高
度であるため、製造過程で細心の注意を要し、結果とし
て経済的に不利である。

従って、爆発圧接を利用しないで同様な効果を得ること
かできれは、技術的、経済的な困難か回避できると考え
られる。また、磁性金属の場合についても、アモルファ
スと同様な組成ではあるか、非晶質のアモルファスでは
ないか急冷によって微細結晶化したちのて優れた軟磁性
を示すものや、その他の従来知られていた磁性金属も、
爆発圧接以外の手段て磁気特性を優れた転磁特性を持っ
た金属に受は持たせ、強度部材としての特性か優れたも
のを応力を受は持つ部分に使用することか適当であると
考えられる。しかし、磁性金属の殆とか、アモルファス
と同様に高温を加えると、磁気特性か劣化するのて、従
来爆発圧接以外の方法で他の金属に接合することか困難
であった。

よって、これまでアモルファスや低耐熱性の磁性金属を
センサ素子として、特別な手段を用いずに容易に歪み測
定対象物に取り付けることか可能て、かつ−４０°Ｃか
ら＋１５０°Ｃの広い温度範囲で安定して使用でき、１
０”回を越える繰り返し応力による疲労に耐える歪みセ
ンサを得ることか大きな課題であった。

（課題を解決するための手段） 本発明は、前節で説明した従来の非接触で測定可能な歪
みセンサの有していた欠点を除去するへく理論的、実験
的に検討を重ねた結果到達したもので、金属やアモルフ
ァスからなるセンサ素子の薄板や箔、線を歪み測定対象
物に部分的に２箇所以上固定すると、固定部分の相対位
置変動がセンサ素子をも歪ませることに着目し、その歪
みが歪み測定対象物の歪みに比例することを利用して、
センサ素子を予め基体に取り付けたユニットを作成する
ことにより、必要に応じてそのユニットを測定対象物に
取り付けて容易に高感度で測定対象物の歪みを測定でき
るようにしたものである。

すなわち本発明による歪みセンサユニット（以下ユニッ
トという）は、板状または管状の基体で、平板または丸
棒に少なくとも２カ所で固定できるようにしたものの、
固定対象物に取り付ける面と反対側の表面に、アモルフ
ァス箔または磁性金属の薄膜を取り付け、その両端を基
体に固定してなるか、２個の固定対象物の中間に設置す
る場合は基体をその片側で１個の固定対象物に、他の側
でもう１個の固定対象物に固定可能とし、かつアモルフ
ァス箔または磁性金属の薄膜は、その両端がそれぞれ基
体の固定対象物に固定可能な側に固定されていることを
特徴とする。

上記本発明ユニットの一つの態様は、歪み測定対象物に
添接し得る適宜形状の基体と、該基体の上記対象物と反
対側の表面に沿って展延し端縁において該基体に固定さ
れた磁歪特性を有するセンサー素子薄膜とからなる。

かかる態様においては、上記センサー素子薄膜は基体表
面と一定の間隙を保って展延固定されてなることか好ま
しい。

また、かかる態様においては、前記基体はその内周面を
歪み測定対象物に添接する円筒体である。

更にまた、別の態様においては前記基体は平板である。

本発明ユニットに適用する前記センサー素子薄膜はアモ
ルファス金属又は磁性金属よりなることか好ましい。

歪み測定対象物か２個の部材よりなる場合には、本発明
ユニットは、各部材を別個に固定支持する手段を備えか
つ相対峙して結合した２個の基体と、これら両基体の対
峙間隙に展延して配置された磁歪特性を存するセンサー
素子薄膜とからなり、上記薄膜の両端縁を別個に上記２
個の基体側に固定したことを特徴とする。

前記２個の基体は、好ましくは環状体と該環状体の中心
部分に結合固定された板状または軸状体とからなる。

またこの場合、被測定物体を固定支持する手段は好まし
くは基体の辺縁から板状体の面に対し直角方向に延びる
筒状保持部材である。

以下、本発明の構成を添付図面を参照して詳述する。

第１ａ図および第１ｂ図は本発明ユニットの典型的具体
例を示すものであり、第１ａ図はその長軸に沿った縦断
面図であり、また第１ｂ図は第１ａ図のＡ−Ａ線矢視断
面図である。同図に示す本発明ユニットは半径ｒ１を有
する歪み測定対象物の丸棒１を貫挿し得る円筒状基体２
と、該基体２の上記丸棒ｌ側と反対側の面、すなわち外
周面に沿って展延し、該基体２を外周半径ｒ２を以て囲
繞するセンサ素子薄膜３とを含んでなる。この場合、ｒ
２〉ｒｌとすること、すなわちセンサ素子薄膜３は基体
２と適宜の一定間隔を隔てて囲繞することが好ましい。

センサ薄膜３は、その両端縁か、それぞれ基体２両端の
肉厚部と該肉厚部に環装被着される環状固定金具４，４
′との間に挟持され、それらと冶金的または機械的に接
合５．５’Ｌ、て固定される。

ｌはセンサ素子薄膜３の基体２並びに環状固定金具４．
４′に接触していない部分の、丸棒ｌの長軸に沿った長
さ、即ち有効長さである。

センサ素子薄膜３、基体２および環状固定金具４．４′
の接合５，５′は、センサ素子薄膜３の磁気特性を劣化
させないように、水冷しながら溶接したり、予めセンサ
素子薄膜３以外の部分の熱容量を十分にとって、センサ
素子薄膜３か磁気特性を劣化する温度にならないように
注意する必要かある。殆どの場合、センサ素子である磁
性材料は高温に弱く、典型的な例であるアモルファスに
ついていえは、３００℃から４００℃の温度で結晶化を
開始し、その優れた磁気特性を劣化させる。

また、急冷金属の場合も同様であり、溶接に際しては、
センサ素子薄膜か磁気特性を劣化させる温度にならない
ように十分に留意しなければならない。ただし、センサ
素子材料の歪み測定に関与しない部分、例えば基体２と
環状固定金具４とに挟まれた部分に関してはその限りで
はない。溶接に際して、センサ素子か過熱しないための
手段としては、以下のような対策か考えられる。

（１）点溶接のような手段によって溶接部分を極力少な
くすること。

（２）センサ素子を容器に入れた水に浸したり、流水等
で冷却しなから溶接する。

（３）基体２および環状固定金具４に十分な熱容量があ
る場合は、センサ素子を冷却する必要かない場合もあり
得るか、そのような場合もセンサ素子の磁気特性劣化が
ないよう十分に留意し、例えはセンサ素子温度上昇を測
定しなから溶接する等の手段を講じて過熱を防止する。

以上冶金的接合の手段として、溶接のみについて説明し
たか、その他の手段、例えは、鑞付けあるいは爆発圧接
を採用しても差し支えない。鑞付けの場合のセンサ素子
過熱防止対策は溶接の場合と同様である。爆発圧接の場
合については、過熱を考える必要はなく、爆発圧力によ
って構成部品か歪むことについて対策を講する必要かあ
るか、当業者てあればどのような加工法の場合にとのよ
うな問題と対策かあるかは十分に承知している。

第２図は、機械的増幅作用に対する配慮や、基体か非磁
性材料であってその影響かセンサ素子薄膜に及ぶことに
対する配慮が必要でない場合に取り得る構成で、センサ
素子薄膜１３は基体１２に密着して両端のみて環状固定
金具１４によって固定されている。固定されていない部
分は、基体１２に機械的に接触しているたけてよく、冶
金的な接合は必要ではない。また、溶接部分１５は、こ
の図の場合、基体１２、環状固定金具１４およびセンサ
素子薄膜１３の全てを溶接しているように描かれている
か、上記のように、状況によって全く溶接しなかったり
、溶接によらずに鑞付けによったり、取捨選択する必要
かある。

第２図の場合は、センサ素子薄＠１３は固定部分以外で
は基体１２に固定されてはいないか密着しているのて、
センサ素子薄膜１３の剪断歪みは、厚さを無視すれば基
体１２の剪断歪みと同じと考えて良い。

尚、第ｔａ、　ｔｂ図では、説明の必要上歪み測定対象
物も図示したか、本図ではユニットのみを示し、以後の
図も同様とする。

第３図は、第１ａ、　ｌｂ図および第２図に示したユニ
ットてはセンサ素子薄膜３および１３か基体２および１
２の全周を包囲しているのに対して、一定の幅を有する
帯状のセンサ素子薄膜１３’か管状の基体１２の外周の
一部に軸に沿う方向に取り付けられた状況をセンサ素子
薄膜１３’の取り付は側から見た平面図である。平面図
であるため、断面図である第１ａ、　ｌｂ図のようにセ
ンサ素子薄膜か基体に密着しているか、間隔を置いて設
置されているかは、この図のみからでは判断てきない。

センサ素子薄膜１３’を基体１２から離すか密着させる
かは、測定目的によって定めるべきである。この図では
、環状固定金具１４と基体１２を冶金的に固定するため
に、溶接部分１５かあるか、これは、後に述へるように
、ユニットの性格によって採用しないこともあり得る。

第４ａ図は本発明装置の更に別の態様を示す平面図であ
り、第４ｂ図はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。これら
の図は、これまでの例か歪み測定対象物を丸棒としてい
たのに対して、平板を対象とし、従ってユニットも平板
状である場合を示す。この場合特徴的なことは、固定金
具２４に凹みか設けられ、それに対応する突起か平板状
基板２２にあり、センサ素子薄膜２３は屈曲してその間
で固定されていることである。また、固定金具２４と測
定対象平板（図示しない）を結合するには、共に平板で
あって、焼成めや押嵌めのような手法を用いることかて
きないので、両者はホルト２７と座金２８によって締め
付けられている。このようにしてセンサ素子薄膜か屈曲
して固定されていることにより、ボルトの締め付けか緩
まなけれは、十分に大きな摩擦を得ることかできる。た
たし、この方法をとる際には、センサ素子薄膜２３にア
モルファスを使用する場合、アモルファスは弾性変形域
を外れて塑性変形域に入ると、急速に破断することに注
意しなければいけない。屈曲によってアモルファスか塑
性変形をしないような設計をする必要かあるか、アモル
ファスの弾性限界値を知り、その上で弾性限界を超えな
いような設計をすることは、当業者であれば容易に行う
ことかできる程度のことである。これらの図では、ボル
ト２７は、センサ素子薄膜２３を貫通していないか、セ
ンサ素子薄膜２３に穴を設けて貫通させても良い。たた
し、センサ素子に加わる負荷あるいは歪みによって、穴
の位置を起点とする破壊か発生しないように、負荷応力
設計、穴の工作等に十分注意する必要かあるか、これも
適切な設計をすることは、当業者であれば容易に行うこ
とかできる程度のことである。

第４ａ、　４ｂ図に示されるユニットでは、冶金的接合
か用いられていないか、溶接や鑞付けのような冶金的接
合を併用することも、前述のようなセンサ素子に対する
熱影響の問題について十分な対策を行えば差し支えなく
、用途等によって定まる設計上の問題と考えてよい。

この形式のセンサ素子は、主に平板上の歪み測定対象物
の曲げ、圧縮、引張り捩れ変形等を測定するのに適して
いる。第４ａ、　４ｂ図に示した形状は、その原理を示
すだめのものであり、幅や長さ、センサ素子薄膜取り付
は部以外の形状、寸法等は目的に即した形状とすべきも
のである。

第５図は、丸棒の軸回りの捩れを測定するためのユニッ
トの変形例を示す中心軸に沿った縦断面図である。第１
ａ、　ｌｂ図、第２図および第３図に示すものては、原
則として同一の太さを有する軸の捩れを測定することか
前提となるか、第５図の場合は太い軸と細い軸とを連結
したい場合、あるいは円筒又は角筒状の軸とそれより小
さい外径の軸とを遷移的に結合する場合に有効な態様で
ある。

同図において、基体３２は、中央にボルト貫通孔を穿設
した環状部材３２ａと、その周縁部より垂直に延びた筒
状部材３２ｂとよりなる。即ち図示の例にあっては、基
体３２は、環状部材３２ａを底部とし筒状部材３２ｂを
円筒周壁とした有底円筒状体に一体に形成されている。

筒状部材３２ｂは、２個の部材よりなる歪み測定対象物
の一方の部材を把持固定する機能を司る手段であり、図
示の筒状の例に限らず、適宜な形状・機構を任意に採用
し得る。別の基体３２′は、前記ボルト貫通孔に貫挿し
得るボルトを底部に同心に突設した板状または軸状部材
３２′ａと、その周縁部より板状または軸状部材３２′
ａの面に垂直に延びた筒状部材３２′ｂとよりなる。こ
の例にあっては基体３２′　も、板状または軸状部材３
２′ａを底部とし筒状部材３２′ｂを円筒周壁とした有
底筒状体に一体に形成されている。

筒状部材３２′ｂは、上記同様、歪み測定対象物の他方
の部材を把持固定すべき手段であり、同様に適宜な形状
・機構を採用し得る。環状部材３２ａと相対峙する板状
または軸状部材３２′ａとの間には環状センサ素子薄膜
３３か環状部材３２ａのほぼ全面を覆って配設される。

環状センサ素子薄膜３３は、板状または軸状部材３２′
ａに突設されたボルトを貫挿し得る中央透孔を有し、座
金３８を介して、該透孔と環状部材３２ａの貫通孔とを
貫通した板状または軸状部材３２′ａのボルトにナツト
２９を螺合して締め付けることによって、環状センサ素
子薄膜３３の中央部か固定される。更に環状部材３２ａ
の外周縁には螺条か刻設され、環状固定金具３４かその
内周面の螺条を螺合して締め付けられ、環状センサ素子
薄膜３３の周縁部を固定する。この構成においては、環
状センサ素子薄膜３３は環状部材３２ａの面に密着して
いるか、必要に応じてこの面を凹陥させたり、スペーサ
を介挿する等して環状センサ素子薄膜３３を環状部材３
２ａと適宜間隔を隔てて配設することかできる。また、
環状固定金具３４やナツト３９か緩んで環状センサ素子
薄膜３３の固定か不確実になることを防ぐために、割り
ピンや針金による固定等の公知のボルドーナツトの緩み
止め手段を用いたり、上に述へた冶金的手段を用いたり
することもできる。

上記のような構造においては、環状センサ素子薄膜３３
の外周縁部と内周縁部とを該薄膜の両端と解するものと
する。

更に、加えられる負荷か十分に小さく、環状センサ素子
薄膜３３のみて十分に支持てきる場合、筒状部材３２ｂ
の端面を環状部材３２ａと見做して、筒状部材３２ｂの
端面と板状または軸状部材３２′ａとをつなぐものは環
状センサ素子薄膜３３のみとしてもよい。その程度の設
計変更は、当業者であれば負荷応力とセンサ素子薄膜の
弾性限界ならびに材料力学上の知識を基に容易になし得
る程度のものである。

上記のユニットによって２個の部材よりなる歪み測定対
象物、例えば太い軸または円筒状の軸と細い軸とを結合
するには、筒状部材３２ｂに太い軸または円筒状の軸を
、また他方の筒状部材３２′ｂに細い軸を嵌合するなと
して機械的に保持固定するか冶金的に固定するのみでよ
い。

（作　用） 次いて、上記のような構成になる本発明ユニットの作用
について説明する。

まず、第１ａ、　ｌｂ図に示すようなユニットは、使用
に際して歪み測定対象物である丸棒ｌに熔接・鑞付けな
どにより冶金的に接合６．６’して装着される。熔接ま
たは鑞付けによってユニットを冶金的に固定しようとす
る場合には、丸棒が熱処理された金属である場合、必ず
熱処理状態に変化を与える。それか好ましくない場合に
は、熱影響のない方法で固定することになるか、どのよ
うな方法によるかは、使用する材料の種類、歪みを測定
する条件、測定される丸棒の応力伝達部材としての使用
条件等、設計諸元によって定まる。機械類の設計に習熟
した当業者であれば、各条件の下に上記の固定方法の中
から取捨選択して固定方法を設計することは容易である
。

例えば、溶接による場合、前述のセンサ素子薄膜をユニ
ットに組み込む場合の溶接と同様に、センサ素子薄膜３
の磁気特性を劣化させないように、水冷しながら溶接し
たり、予めセンサ素子薄膜３以外の部分の熱容量を十分
にとって、センサ素子薄膜３か磁気特性を劣化する温度
にならないように注意する必要かある。

また例えば、鑞付けの場合のセンサ素子過熱防止対策も
溶接の場合と同様である。爆発圧接の場合については、
過熱を考える必要はなく、爆発圧力によって構成部品か
歪むことについて対策を講する必要かあるか、当業者で
あればどのような加工法の場合にとのような問題と対策
かあるかは十分に承知している。

また、ユニットを丸棒ｌに確実に固定するための方法の
一つに、冷し嵌めがある。まず、基体２の内径を丸棒１
の外径よりやや小さいものとし、丸棒Ｉをドライアイス
や液体窒素のような極冷物質で冷却して熱収縮によって
丸棒ｌの外径か基体２の内径より小さくなるようにし、
その状態て丸棒ｌに嵌合し冷却すると、丸棒１は常温で
もとの内径に戻ろうとし、基体２は丸棒１を強く締め付
け、両者は機械的に強固に固定される。環状固定金具４
，４′　も、センサ素子３を基体２の環状スペーサ部に
環装してから数ｌＯＯ°Ｃに加熱して熱膨張させ、焼成
めすることによって基体２、センサ素子薄膜３及び環状
固定金具４．４′はユニットとして一体に固定すること
かできる。環状固定金具４，４′をセンサ素子３上面に
嵌める際に、環状固定金具４，４′か高温であるために
センサ素子薄膜３の特性を劣化させる虞れかある場合は
、センサ素子３を水冷する等の方法で熱的に保護すれば
よい。上記のように、冷し嵌めや焼成めを適宜選択する
ことによって、センサ素子薄膜３に対する熱的影響を完
全に避けつつ、機械的にユニットを組み立てたり、ユニ
ットを測定対象物に取り付けることかできる。

高温や低温の熱的方法によらず、かつ機械的な締め付け
だけて固定したい場合の方法として、押し嵌めかある。

これは、丸棒ｌの外周の一部分に基体２を端から差し込
んで嵌めあわせようとすると、進めるに従って外径か拡
がるようにテーパーが与えられ、基体２の内周にもそれ
に沿ったテーパーを設けて、差し込むに従って基体２か
丸棒１を締め付けるようにする方法である。基体２の外
周を環状固定金具４の内周にも同様な仕組みを設けるこ
とによって基体２、センサ素子薄膜３及び環状固定金具
４を丸棒１に機械的に強固に固定することかできる。

これらの機械的な固定方法について、それぞれの部品の
内周、外周あるいはテーパー寸法をとのように設定する
かは、一般の機械加工に関する知識を有するものであれ
ば、使用する金属の熱膨張率、ヤング率、弾性限界値等
の値に応じて容易に決定できる。

上記の締め付けのみによる機械的固定方法では、捩れか
長期間にわたって繰り返される場合、ずれか生じて固定
された状態か変化して誤った測定に導く虞れかある。そ
のような場合は、キーやノックピンのような締め付は以
外の機械的な固定手段を併用したり、あるいは締め付け
は全く用いないで、それらの機械的手段によることも考
えられる。

たたし、締め付けのみによる場合は、キー溝やノックピ
ン穴のように、部品断面積低減あるいは切り欠きに伴う
応力集中による構成部品強度を低下させる原因を持ち込
まないで済む利点かある。また、第１ａ図ではユニット
を歪み測定対象物にその両端で溶接しているか、例えは
平板のユニットを平板の歪み測定対象物に取り付けるよ
うな場合は、ユニットの全周縁で歪み測定対象物に溶接
したり、可能であれは面と面とて溶接したり、周縁に数
多く開けた穴を介してボルトで止めたりしてもよい。た
たし、基本的には歪み測定対象物の歪みを測定する区間
の歪みか、忠実にセンサ素子に伝わるような取り付は方
を取る必要かあり、かつ測定に関して必要で十分な機械
的強度を確保することか必要である。しかし、機械工学
や歪みの測定に関して知識のあるものであれば、容易に
適切な取り付は方を設定することか可能である。

次に、第１ａ、ｌｂ図に示すユニットによって、丸棒の
軸心周りの捩り歪み測定原理を説明する。

このような軸の捩れを測定するような例は、例えば原動
機の回転を軸によって負荷に伝えるような場合、軸の捩
れから負荷されたトルクを推定する、いわゆるトルクセ
ンサとしての用途に適合する。

丸棒の両端にトルクか負荷されて捩られると、丸棒はそ
の長さに比例して捩れる。その中間に両端を固定してユ
ニットか取り付けられていると、ユニットも同様に捩ら
れる。すなわち、ユニットの両端は丸棒表面に溶接によ
って固定されているので、その固定された部分と同し動
きをとり、結果として固定された２点は丸棒の動きと同
じ動きを示す。よってユニットも丸棒と同様に捩れるこ
とになる。

センサ素子薄膜３は丸棒に比へて十分に薄く、従って強
度か低く、丸棒１か捩られることに影響しないとし、ま
た基体２と環状固定金具４も十分に小さく丸棒１の捩れ
に影響しないとすれば、丸棒１の長さ当たりの捩れも変
化しない。第１ａ図からセンサ素子薄膜３の半径ｒ２は
、明らかに丸棒１の半径ｒ１より大きい、すなわちｒ２
＞ｒ＋である。従って、センサ素子薄膜３表面の剪断歪
みをτ２、丸棒１表面の剪断歪みをτ１とすると、τ２
　〉τ＋　　　−−−−−−−−Ｄてあり、 τ２＝λｒ２　−−−−　　２） τ、＝λｒ　＋　　　−−−−−３） となる。つまり、センサ素子薄膜３ては、剪断歪みにお
いて丸棒１の歪みか機械的に増幅されていることになる
。よって、第１ａ図のように、丸棒の捩れを測定する際
に、センサ素子薄膜３を丸棒１の表面から離して設置す
れば、剪断歪みを機械的に増幅することかできる。

このようにセンサ素子薄膜３を基体２の表面から離して
設置すれば、機械的に剪断歪みを増幅すること以外に以
下の作用をも有する。

まず、基体２か磁性金属てあり、センサ素子薄膜３を基
体２の表面に接して設置する場合、センサ素子薄膜３を
電磁石等によって励磁して磁歪を測定しようとすると、
同時に基体２も励磁され、センサ素子薄膜３の磁歪測定
に影響を及はす可能性かある。また、基体２か高温であ
る場合、センサ素子薄膜３はその熱影響を受け、測定ま
たは材料特性に悪影響を受ける虞れかある。このような
基体２のセンサ素子薄膜３への影響を最小限にしようと
する場合にも第１ａ図のような構成は有効である。即ち
、ｒｔ　＞＞ｒ＋　としてセンサ素子薄膜３を基体３よ
り隔離することにより、歪みを機械的に増幅する以外に
、応力か負荷される材料が磁性体の場合、磁性体の磁気
的影響を最小限に止め、正確な測定を可能とする。

次いて第３図に示すユニットでは、丸棒の伸縮や曲げを
センサ素子薄膜１３′で測定する場合であれば、センサ
素子薄膜１３′の位置に磁歪測定機構を取り付けて歪み
を測定することにより歪みは常に測定可能であるか、例
えば、トルクセンサのように、回転軸にかかるトルクを
測定するような場合は、センサ素子薄膜１３’が丸棒の
回転に伴って磁歪測定機構を取り付けた部分を断続的に
通過するので、歪み信号はパルスとして与えられること
になる。また、丸棒か静止している時には、センサ素子
薄膜１３′の部分か常に磁歪測定機構を取り付けた部分
て停止するとは限らないので、静止トルクは測定てきな
い。

第４ａ、　４ｂ図に示した形式のユニットは、主に平板
上の歪み測定対象物の曲げ、圧縮、引張り捩れ変形等を
測定するのに適している。

第５図のユニットは、円筒状の基体３２から細い基体３
２′に、あるいはその逆の方向で捩れ応力か伝えられる
場合、センサ素子薄膜３３は円筒状基体３２の軸に直角
な面とほぼ同等の歪みを受けるため、センサ素子薄膜３
３の磁歪測定を行うことによってその歪みを求め、系の
受ける応力を推定することかできる。

（実施例） 次に本発明を実施例によって説明する。　　一実施例 外径２４．０ｍｍφ、内径２１．０５ｍｍφ、長さ８０
．０ｍｍの５Ｓ４１鋼製の円筒に、外径２８．０世φ、
内径２４．０２ｍｍφ、幅６．０順の５Ｓ４１鋼製の円
環２本を、それぞれ幅の中心か丸棒の両端から３６ｍｍ
になるようにして嵌め、共に円筒の端の側で３箇所て円
筒に対して点溶接した。点溶接は、隅肉溶接で、隅肉部
分か円環の表面から盛り上からないようにして、盛り上
かった部分はグラインダで磨り落として円環の表面とな
たらかに繋がるようにした。次にＦｅｇ、Ｂ＋ｚ、　ｓ
Ｓ！３．　ＳＣ２（原子比率）の組成のアモルファスで
、幅５０ｍｍ、長さ７５．４０ｍｍ、厚さ３０μｍのも
のを両端か円環の両端に一致するようにして円筒の周囲
に巻きつけた。この結果、アモルファス箔は円筒の長さ
方向の中心部分の周囲を、２世の隙間を置いて包囲し、
その軸周りの両端は互いに突き合わされる状態になった
。別に外径３２．０ｍｍ、内径２８．ＩＱｍｍ、幅６．
Ｏｍｍの５Ｓ４１鋼製の円環２本を用意し、巻きつけた
アモルファスの上からそれぞれが既に円筒に点溶接しで
ある円環の上に重なるようにして嵌め、アモルファスの
端部側の端面をアモルファスと共に各３箇所て既に円筒
に点溶接しである円環に溶接した。その際、アモルファ
ス箔が過熱されないように、円筒を水に入れた容器の中
に垂直に立てて入れ、溶接部分以外は水中に浸るように
してから一方を溶接し、次に円筒を転倒させて同じ作業
を実施した。これによって、アモルファス箔中央の長さ
３８化の部分か円筒表面から２ｍｍ離れた状態で、環状
に円筒表面を覆って固定された。

以上によって得られた円筒と歪みセンサを組み合わせて
なるユニットを直径２１．０ｍｍφ、長さ２００証の５
３５Ｃ鋼の丸棒の長さ方向の中央にユニットの長さ方向
の中央か一致するようにして嵌め、アモルファス部分を
水冷しながらユニットの両端を一端について４点て丸棒
に点溶接した。次に丸棒に捩り応力を加えて歪み測定を
実施した。

第６図はユニットと丸棒の端面側からの側面図と測定装
置のブロックダイアグラムを示し、測定方法を説明する
ためのものである。図中４１は丸棒、４２は基体、４４
は環状固定金具、４３はアモルファス箔のセンサ素子、
ｄは検出素子、ｔは温度検出素子、Ｆは信号処理装置で
ある。組合せ体の一方の端を十分に剛性と重量のある作
業台に取り付けたバイスて固定し、他端にトルクを負荷
して丸棒４１の捩れに対するセンサ素子の出力を測定し
た。検出素子ｄ　４ニーＧａＡｓホール素子を使用して
、信号処理装置Ｆの増幅率を雑音成分に影響されない増
幅率に設定して、その電気出力からセンサ素子の歪みを
推定したところ、測定した範囲である丸棒の捩れ角か０
°から２，５°まて磁気−電気出力か捩り応力と捩れ角
に対して直線的に比例して得られることか確認された。

（発明の効果） 本発明ユニットは上述のように、材料に負荷される応力
を磁気的方法で測定する際、材料に高性能の磁気材料を
取り付ける構造として磁気材料に加わる熱を最小限に止
めてその特性の劣化を事実上無視てきる構造を提供する
ことかできる。即ち、このユニットによれば、磁気材料
をセンサ素子として、材料に加えられた歪みを測定する
際、磁気材料に熱的影響が加わることによってその磁気
特性か劣化して高精度の測定かできなくなることを防止
することかできる。また、歪み又は歪みの変化か小さい
場合でもそれを機械的に増幅して測定精度を向上すると
ともに、増幅された出力または出力変化を電気的に変換
した場合の電気出力あるいはその変化も大きくなり、従
って、歪み一磁気一電気の３段階の変換をするについて
、歪みに関しては原動機等の振動による歪みの雑音、磁
気に関しては周囲の環境条件による磁気雑音、電気に関
しては同様に周囲の電子、電気機器からの伝播雑音等や
電気増幅する際の回路上の雑音等の影響を相対的に小さ
くし、いわゆるＳ／Ｎ比を向上させて微小な歪み或いは
微小な歪みの変化を精密に測定可能とするものである。

また、合成樹脂のような環境条件に弱く、耐疲労回数か
低い材料を使用せずに、予めセンサ素子を組み込んだユ
ニットを被測定材料に取り付けることによって、容易に
歪みを測定することかてきる。すなわち優れた耐環境能
力と高い耐疲労特性とを有すると共に、測定対象物か大
きな場合や、複雑な構造を有する場合等、センサ素子で
ある例えばアモルファスの劣化を伴わずに直接測定対象
物に取り付けるのか困難な場合に、予め簡単な手段でユ
ニットとして完成しているものを取り付ければ、測定対
象物に直接歪みセンサを取り付けたのと同様な効果か得
られる。更に応力か負荷される材料か磁気材料である場
合、それかセンサ素子による応力測定に影響することを
最小限とする構造をも提供すものである。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、本発明ユニットの典型例を示すその長袖に
沿った縦断面図、 第ｔｂ図は、第１ａ図のＡ−Ａ線矢視断面図、第２図は
、本発明ユニットの別の態様を示すその長軸に沿った縦
断面図、 第３図は、本発明ユニットの更に別の態様を示す平面図
、 第４ａ図は、本発明ユニットの更にまた別の態様を示す
平面図、 第４ｂ図は、第４ａ図のＡ−Ａ線矢視断面図、第５図は
、歪み測定対象物か２個の部材よりなる場合に適用する
本発明ユニットの典型例を示すその中心軸に沿った縦断
面図、 第６図は、本発明ユニットの側面図と測定装置のブロッ
クダイアグラムとによる歪み測定方法の説明図である。 １．４１・・・丸棒 ２１１２１２２１３２、３２’　＋　４２・・・基体３
２ａ・・・環状部材 ３２ａ′・・・軸状部材 ３２ｂ　３２ｂ’・・・首状部材 ３、１３．１３’　、　２３．３３．４３・・・センサ
素子薄膜４、４’　、　１４．２４．３４．３４’　、
　４４・・・固定金具５、５’　、　１５．４５．６．
６’　、　４６・・溶接部分２７・・・ボルト ２８、３８・・・座金 ３９・・・ナツト ！・・・センサ素子薄膜の有効長さ ｄ・・・検出素子 ｔ・・・温度検出素子 Ｆ・・・信号処理装置 第１ａ図 第１ｂ図 第４ａ図 ｉ 第４ｂ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、板状または管状の基体で、平板または丸棒に少なく
   とも２箇所で固定できるようにしたものの、固定対象物
   に取り付ける面との反対側の表面に、アモルファス箔ま
   たは磁性金属の薄膜を取り付け、その両端を基体に固定
   してなるか、２個の固定対象物の中間に設置する場合は
   基体をその片側で１個の固定対象物に、他の側でもう１
   個の固定対象物に固定可能とし、かつアモルファス箔ま
   たは磁性金属の薄膜は、その両端がそれぞれ基体の固定
   対象物に固定可能な側に固定されていることを特徴とす
   る歪みセンサユニット。