JPH059562A - 磁気特性変化を利用した信号パターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 位置や速度を検出する非接触型センサーなど
に使用される信号パターン（磁気目盛りなど）を形成す
る方法に関し、炭素鋼や低合金鋼を基体材料として利用
し、強加工工程を経ることなくかつ非晶質化する合金を
用いることなく、レーザ光照射による再溶融凝固を利用
して磁気特性を変えることで、信号強度の大きい信号パ
ターンを形成する。 【構成】 強磁性鋼の被検出体を用意し、その表面にＣ
ｒ炭化物、Ｍｏ炭化物、Ｓｉ窒化物およびＷ窒化物の少
なくとも一種を含有したコーティング膜を形成し、そし
て、被検出体の表面にレーザなどの高密度エネルギーを
所定信号パターン形状に印加することで局部的に再溶融
急冷凝固させて前記炭化物を合金化し、該合金化した金
属組織をオーステナイト単相ないしオーステナイトを含
んだ組織とし、該高密度エネルギーを印加しない被検出
体の部分の金属組織とは磁気特性を異なるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置や速度を検出する
非接触型センサーなどに使用される、金属表面に磁気特
性の異なる信号パターン（磁気目盛りなど）を形成する
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属表面へのレーザ光照射による再溶融
凝固で金属材料の磁気特性を変えることを利用して信号
パターン（磁気目盛り）を形成することできる。その一
例として、１８％Ｃｒ−７％Ｎｉの不安定オーステナイ
ト鋼の部材を冷間引抜と矯正して加工誘起マルテンサイ
ト組織にし、レーザ照射によって表面を溶融凝固させる
とその部分はオーステナイト（非磁性体）化する。再溶
融部と非溶融部を交互に繰り返したパターンを形成する
ことによって、非磁性・強磁性パターンを形成する。こ
のような表面を磁気検出器で走査すると、パターンに応
じたパルス信号が得られ、この信号をカウントすれば、
部材の変位や速度を検出することができる（例えば、特
開昭６２−８３６２０号公報、住友金属、Vol.42-3 (19
90), pp.21-26参照）。

【０００３】また、金属基体の上に急冷凝固により非晶
質化する合金を結晶質の肉盛溶着層を形成し、これにレ
ーザ（高密度エネルギー）照射で急速溶解・急速凝固さ
せて非晶質層パターンを形成する。結晶質部分と非晶質
部分との交互パターンを磁気検出器で走査すれば、同様
に変位や速度を検出することができる。この技術に関連
した発明を本出願人も特願平１−３２４１６３号、２−
９３９２６号、２−９３９３０号などにて提案した。

【０００４】さらに、加熱冷却によって磁気特性および
／または電気特性が変化する基体材料（例えば、鋼材や
磁気材料など）の表面にレーザーなどの高密度エネルギ
ーを照射して局部的に表面改質し、基体材料と特性の異
なる部分を照射パターン（規則的）に形成した被検出体
から、磁気的な検出センサーによって信号を得るという
ものが提案されている（特公昭６２−３２４０７号公
報、特開昭６３−９８５０１号公報参照）。そこで、基
体材料に炭素鋼（ＳＣ材）あるいはニッケルクロム鋼
（ＳＮＣ材）などの低合金鋼を用いても、後述する図２
に示す方法で信号パターン付被検出体を製造し、図３の
ように検出センサーで信号検出が可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来例の第１の場合に
は、マルテンサイト化のためには特定組成のオーステナ
イト鋼を用意しなければならず、冷間引抜や矯正の強加
工工程が必要でありかつその加工度の制御も必要であ
り、さらに適用部材の形状が限定されてしまう。また、
第２の場合には、非晶質化する合金を特別に用意する必
要があり、また非晶質化（アモルファス化）のために極
めて大きな冷却速度を必要とする。

【０００６】従来例の最後の場合での炭素鋼やニッケル
クロム鋼などを基体材料としたときの信号パターンでは
弱い信号しか検出できなかった。この理由としては次の
ようなことが考えられる。 基体のパーライト（Ｐ）、フェライト（Ｆ）金属組織
と局部的に急速加熱冷却処理した部分のマルテンサイト
（Ｍ）金属組織との磁気特性の差が小さい。 急速加熱冷却処理で得られたマルテンサイト（Ｍ）金
属組織中に非磁性である残留オーステナイト（Ａ）の量
が多くなると、基本のパーライト（Ｐ）、フェライト
（Ｆ）金属組織との磁気特性の差が大きくなるが、炭素
鋼やニッケルクロム鋼を基体としたものでは、この残留
オーステナイトの析出量は少ない。

【０００７】本発明の目的は、炭素鋼や低合金鋼の強磁
性鋼を基体材料として利用し、強加工工程を経ることな
くかつ非晶質化する合金を用いることなく、レーザ光照
射による再溶融凝固で金属組織を変えて磁気特性をも変
えることで信号強度の大きい信号パターン（磁気目盛
り）を形成する方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的が、強磁性鋼
の被検出体を用意し、該被検出体の表面にＣｒ炭化物、
Ｍｏ炭化物、Ｓｉ炭化物およびＷ炭化物の少なくとも一
種を含有したコーティング膜を形成し、そして、被検出
体の表面にレーザなどの高密度エネルギーを所定信号パ
ターン形状に印加することで局部的に再溶融急冷凝固さ
せて前記炭化物を合金化し、該合金化した金属組織にオ
ーステナイトを含ませて該高密度エネルギーを印加しな
い被検出体の部分の金属組織とは磁気特性を異なるよう
にすることを特徴とする磁気特性変化を利用した信号パ
ターンの形成方法によって達成される。高密度エネルギ
ーによる再溶融急冷凝固処理の後に、被検出体に仕上げ
表面加工を施すことは、磁気特性検出の際に好ましい。
被検出体の強磁性鋼が炭素鋼または低合金鋼で作られて
いることは望ましい。

【０００９】また、高密度エネルギーがＹＡＧレーザ光
またはＣＯ₂ レーザ光であることは好ましく、電子ビー
ム、アーク放電などであっても良い。

【００１０】再溶融急冷凝固の時の冷却速度は１０² ℃
／秒よりも速いことが好ましく、後述するようにシェフ
ラー状態図（図１）を参照して本発明の説明することが
できる。

【００１１】

【作用】図１のシェフラー状態図は一般に溶接のような
冷却速度（１０²℃／秒程度）の急冷条件下おけるＮｉ
当量（オーステナイト安定化元素Ｎｉと、Ｎｉと同様の
効果のある他の元素との合計）、Ｃｒ当量（フェライト
安定化元素Ｃｒと、Ｃｒと同様の効果のある他の元素と
の合計）と合金鋼の金属組織との関係を表す。基本的に
は、Ｎｉ当量が大きくかつＣｒ当量が小さい領域での金
属組織はオーステナイトとなり、Ｎｉ当量が小さくかつ
Ｃｒ当量が大きい領域ではフェライトとなり、Ｎｉ当量
とＣｒ当量とが適当な割合で存在する領域ではフェライ
ト、オーステナイト、マルテンサイトが共存している。
ここでのＮｉ当量、Ｃｒ当量は次式で表される。 Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋３０ｘＣ＋0.５ｘＭｎ （ｗｔ％） Ｃｒ当量＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋1.５ｘＳｉ＋0.５ｘＮｂ （ｗｔ％） なお、これらの当量の式は通常採用されているシェフラ
ー状態図（例えば、ステンレス鋼便覧、（１９７３年８
月）、日刊工業新聞社、８８頁、図1.８９参照）におけ
る当量の式である。

【００１２】これらの当量式から、炭素鋼（例えば、Ｓ
４５Ｃ）はシェフラー状態図中の点イの位置に相当し、
マルテンサイト領域にある。一方、信号強度に最も影響
する要因は、磁気的に特性が異なる非磁性のオーステナ
イト（Ａ）の存在（析出）量であり（すなわち、加熱冷
却処理部分のマルテンサイト組織中のオーステナイト量
の安定化割合に信号強度は依存するのであり）、その増
加によって信号強度を高めることができる。そこで、信
号強度を向上させる（オーステナイト量を増やす）ため
には、炭素鋼の点イから、Ｎｉ当量の増加（矢印ｙ方
向）、Ｃｒ当量の増加（矢印ｘ方向）および冷却速
度をもっと速めること（線ａの矢印ｚ方向への移動）よ
るオーステナイト領域へ近づける必要がある。ただし、
冷却速度は高密度エネルギー加熱後の自己冷却を利用し
ているので、より一層の大きな変化（効果）は望めな
い。

【００１３】ニッケルおよびクロムを再溶融時に溶け込
まそうとして、これらを、例えば、３ｗｔ％ずつ増加す
べく付加すると、かなりの体積増加となって冷却後の処
理部分が盛り上がって荒れた表面になってしまう。これ
では精密なレーザー加工（ミクロンオーダー加工）を信
号パターンのためにしたとしても、スパッタや荒れを取
り除くために、後加工を必要とするので精度に悪影響を
与えてしまう。

【００１４】そこで、ニッケルの代わりに係数で３０倍
の炭素（Ｃ）を添加すれば、体積的な問題なしにＮｉ当
量を増やせる。ただし、鋼材（基体材料）中に固溶でき
る濃度（含有量）に限界がある（鉄−炭素系状態図から
も知られているようにα鉄中の炭素の固溶量は最大0.０
２％である）。７００℃平衡状態図のＣ固溶量は合金元
素のＣｒ、Ｍｏ、ＳｉおよびＷの添加量の増加と共に増
大することが知られているので、これらの炭化物を添加
すれば炭素をより多く含有させることができ、Ｎｉ当量
の一層の増加が図れる。特に、ＣｒまたはＭｏを含む炭
化物を用いれば、Ｎｉ当量だけでなくＣｒ当量をも増加
させることができる。このことは、例えば、シェフラー
状態図中の点イから点ロへ（マルテンサイト領域→オー
ステナイト領域またはマルテンサイト領域→オーステナ
イト＋マルテンサイトの領域）移すことを意味し、非磁
性オーステナイトの増加となり、結果として、信号強度
を大きくできる。

【００１５】金属組織での磁気特性変化は変化しない部
分と変化した部分との比較で信号強度検出でき、そのた
めには、センシングコイル、ホール素子、ＭＲ素子など
の磁気／電気特性検出器を用いることができる。したが
って、本願発明に係る方法で基体材料の表面にオーステ
ナイトを含むマルテンサイト組織あるいはオーステナイ
ト組織を、信号パターン形状に応じてレーザ光照射で再
溶融し高速冷却凝固させて磁気特性を変化させた部分と
して形成することで、信号パターン（磁気目盛りなど）
を形成することができる。

【００１６】この再溶融急冷凝固処理の前および後に、
被検出体（強磁性体鋼）の表面を研削、研磨を含めた機
械加工することは、信号パターンの精度を高めるだけで
なく、検出器のプローブが被検出体の表面と接触する場
合には、検出器のプローブとの摺動を滑らかにしたり、
プローブとの間隙を小さくかつプローブを傷つけないな
どの効果がある。

【００１７】そして、信号パターン（再溶融急冷凝固領
域・部分）を特定方向に周期的に繰り返すように形成す
れば、異なる磁気特性値が交互に繰り返される信号（磁
気目盛り信号）が得られ、あるいは、特定方向に連続的
に幅を減少または増加させるように形成すれは、磁気特
性値が徐々に低下または増大する信号を得られる。これ
ら信号によって、被検出体の位置や速度を特定・算定す
ることができる。

【００１８】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の実施態
様例および比較例によって本発明を詳細に説明する。先
ず、炭化クロム粉末をバインダー（ＰＶＡ）と共に溶剤
（水）に混合してペースト状にし、これを鋼材（Ｓ４５
Ｃ）丸棒１の表面に一様に塗布し、乾燥して厚さ約５０
μｍのコーティング膜を形成する。

【００１９】次に、この鋼材丸棒１を、図２に示すよう
に、ＮＣ制御テーブル２の上に取り付けた回転制御装置
３にセットする。酸化防止のシールドガスとして、不活
性ガス（アルゴンガス）をノズル４からレーザー照射位
置に向けて流す。下記条件にてレーザー５を鋼材丸棒１
に照射すると同時にＮＣ制御テーブル２を＋ｗ方向に一
定量ｂ送り、レーザーを止めると同時にＮＣ制御テーブ
ル２を−ｗ方向に一定量ｂ戻し、回転装置３を一定量ｃ
回転させる動作を周期的にｎ回繰り返す。この一連の動
作を所定間隔をあけて丸棒外周について行う。ここでの
レーザー照射で鋼材丸棒１の照射部分は溶融し炭化クロ
ムの成分が合金化し、照射から外れると急速に自己冷却
してオーステナイト含有のマルテンサイト組織あるいは
オーステナイト組織の処理部分６となる。

【００２０】（レーザー照射条件） レーザー： ＹＡＧレーザー レーザビーム： 集光レンズにて直径0.２mmのサイズに
集光。 レーザ用Ｘｅランプ放電電圧： ４４０Ｖ レーザパルス幅： 0.５msec パルスレート： ５０pps 加工位置： 焦点位置から１mm内側

【００２１】次に、鋼材丸棒１を機械加工して、図３に
示すリングロータ７を製作する。このリングロータ７の
形状は、例えば、外径が３7.５mm、内径が３0.０mm、お
よび幅が8.０mmである。そして、リング７の外周を研磨
加工仕上げしてリングロータ（被検出体）を完成する。

【００２２】製造したリングロータ７の外周の極近く
に、図４に示すブロックダイヤグラムの検出器８の共振
コイル９を配置し、リングロータ７を回転させて検出器
８からの信号強度を調べる。コイル９の大きさは直径２
mmであり、検出時のエアギャップが0.２mmである。検出
器８からは処理部分６の間隔（ピッチ＝5.８５mm）に応
じたパルス状の波形が、ＹＡＧレーザ処理部分６と非処
理部（Ｓ４５Ｃのまま）とでの磁気特性の差に対応した
強度差（波形のピークｔｏピークの値）で得られ、その
結果はセンサ出力0.３５Ｖ（ボルト）ある。Ｎｉ当量お
よびＣｒ当量の増加を調べるために、ＥＰＭＡ（Electr
on Probe Micro Analyzer)にてＣ（炭素）およびＣｒ量
の増加量を測定したところ、Ｃ量で0.１％、Ｃｒ量で
４．５％であり、上述した当量計算式に当てはめるとＮ
ｉ当量増加が約３．０％で、Ｃｒ当量増加が約４．５％
であった。従って、処理部分６のＮｉ当量は約１６．５
％であり、Ｃｒ当量は約４．５％であった。

【００２３】比較例１として、窒化クロムのコーティン
グ膜を形成することなく、上述した実施例と同じにレー
ザーによる再溶融急冷処理および機械加工して同じサイ
ズのリングロータを製造する。製造したリングロータに
ついて、実施例と同様にしてセンサ出力（強度差）を測
定したところ0.０９Ｖであった。

【００２４】比較例２（参考例）として、窒化クロムの
代わりにカーボンブラックを用いてコーティング膜を形
成して、上述した実施例と同じにレーザーによる再溶融
急冷処理および機械加工して同じサイズのリングロータ
を製造する。製造したリングロータについて、実施例と
同様にしてセンサ出力（強度差）を測定したところ0.１
５５Ｖであった。比較例１よりも高い値となったのは炭
素が固溶されたことによる影響である。

【００２５】本発明の場合および比較例１および２にお
けるセンサ出力を図で示したのが、図５であり、本発明
では比較例１よりも約４倍の信号出力が得られる。この
ように炭化クロム粉末を用いることで急冷凝固マルテン
サイト組織中にオーステナイトを安定化させて磁気特性
を変える（信号強度を高める）ことは、原理的にはニッ
ケルクロム鋼（ＳＮＣ材）などの低合金鋼にも適用で
き、同様な効果が達成される。

【００２６】上述の実施例ではリング形状であったが、
板（さらには棒）を基体として、その上に肉盛層を形成
し、その一部を本発明にしたがって再溶融急冷処理して
信号パターンを形成することもできる。再溶融に使用す
るレーザーには上述のＹＡＧレーザーの他にＣＯ₂ レー
ザーを用いることもできる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る信号
パターンの形成方法では、炭化クロムなどの炭化物粉末
のコーティング（粉末塗布、メッキ、溶射などを含む）
という簡単な工程の付加で信号強度を高めることでき
る。また、本願発明では、従来方法でのマルテンサイト
化のための強加工は必要ないし、非晶質化のために必要
とされる特定の組成合金の用意も必要としないし、入手
しやすい鋼材料で被検出体を製造することができる。さ
らに、再溶融急冷凝固部分はＮｉ当量およびＣｒ当量が
増加するので、基体鋼材よりも耐食性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】シェフラー状態図である。

【図２】鋼材丸棒にＹＡＧレーザによる再溶融急冷処理
を施している斜視図である。

【図３】リングロータの信号パターン検出を概略的に示
した斜視図である。

【図４】磁気特性の検出器のブロックダイヤグラムであ
る。

【図５】実施例、比較例１および２のセンサ出力のグラ
フである。

【符号の説明】

１…鋼材丸棒 ３…回転制御装置 ４…ノズル ５…レーザー ６…処理部分 ７…リングロータ ９…コイル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 強磁性鋼の被検出体を用意し、該被検出
   体の表面にＣｒ炭化物、Ｍｏ炭化物、Ｓｉ炭化物および
   Ｗ炭化物の少なくとも一種を含有したコーティング膜を
   形成し、そして、前記被検出体の表面にレーザなどの高
   密度エネルギーを所定信号パターン形状に印加すること
   で局部的に再溶融急冷凝固させて前記炭化物を合金化
   し、該合金化した金属組織にオーステナイトを含ませて
   該高密度エネルギーを印加しない前記被検出体の部分の
   金属組織とは磁気特性を異なるようにすることを特徴と
   する磁気特性変化を利用した信号パターンの形成方法。