JPH0599604A - 磁気的スケールの製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気的スケールに対して設けられる磁気セン
サの出力信号の強度のばらつきを少なくすること。 【構成】 母材である円柱１に薄肉パイプ２を被せたも
のをしごき加工することによって、薄肉パイプ２と母材
１の表層部の金属組織を微細化して密着させておき、レ
ーザビーム５のような高エネルギ源によって局部的に加
熱溶融して融合させることにより、磁気的特性が母材１
と同じで、組成が均一なスポット７を形成する。スポッ
ト７はそれ以外の被覆層４とは磁気的特性が異なるの
で、所定のパターンを形成するように配列させれば、磁
気的スケール８が形成され、図示しない磁気センサによ
って信号強度にばらつきのない信号が取り出される。本
発明は円柱状のものに限らず、平板状の磁気的スケール
にも実施可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種の機械、器具等に
おいて、特定の部分の位置或いは変位を検出する目的を
もって前記特定の部分自体に形成されるか、或いはそれ
に対して付設される、磁気的スケールの製作方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】特開昭６３−２５９４１３号公報には、
油圧シリンダのピストン等の変位を検出するために、磁
性体で形成したピストンロッド等の母材に所定の間隔で
帯状の非磁性部を配列した磁気的スケールを製造する方
法が記載されている。この例においては、鉄系母材の表
面にニッケルを含む金属箔を密着させ、レーザビーム等
の高エネルギ密度の熱源を用いて金属箔と母材の表層の
一部を溶融し、ニッケルを母材中に拡散させることによ
って、その部分にオーステナイト相からなる非磁性部を
形成する。このようにして形成された非磁性部は、磁気
的スケールの目盛りとなって、それ以外の磁性部分と共
に磁気センサによって読み取られることにより、出力信
号の強弱の変化（信号レベルの高低）として検出され
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術によって
製造される磁気スケールのように、鉄系母材の表層に磁
気的特性の異なる部分として設けられる目盛りが、高エ
ネルギ密度の熱源により溶融されることによって形成さ
れる場合、溶融される部分の金属組織の粗さは、およそ
溶融層の深さ（厚さ）に近い大きさとなるため、鉄系母
材の表面にニッケルを含む金属箔を単に密着させただけ
のものを溶融させたのでは、溶融層の中で化学的成分の
分布の割合が一様にならず、微視的に見た場合の組成の
ばらつきが比較的大きくなってしまい、溶融層が冷却固
化したものの磁気的特性も、部分的に変化するものとな
る。

【０００４】そして、この溶融層が冷却固化したものを
磁気的スケールの目盛りとして利用して磁気センサによ
って読みとる場合には、このような磁気的特性の一様で
ない目盛から磁気センサが出力する信号は、一つの溶融
層内において、或いは他の溶融層との比較において一定
の強度を示すものとはならず、必ず強度が変動するもの
となる。信号強度の変動が、それによって制御されるも
のに対する不安定要因となり、制御の結果に対する信頼
性を損なうことは言うまでもないことであるから、本発
明はこの問題に対処し、溶融層によって形成される目盛
りの磁気的特性を均一化すると共に、溶融層によって形
成される目盛りの部分に、それ以外の母材の部分に対す
る際立った差のある磁気的特性を与えることを、発明が
解決しようとする課題とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は前記の課題を解
決するための手段として、磁性材料又は非磁性材料によ
って形成された母材の表面に、前記母材が磁性材料であ
るときは非磁性材料からなり、また前記母材が非磁性材
料であるときは磁性材料からなる薄い板材を重ね合わせ
る工程と、しごき加工（スピニング加工）によって前記
母材に対して前記薄い板材を密着させると共に組織を微
細化させる工程と、高密度エネルギ源を用いて前記薄い
板材の一部とそれに密着している前記母材の一部の表層
部分を溶融させて両者の成分を融合させる工程からな
り、それによって、溶融した前記薄い板材の前記一部の
磁気的特性を、他の部分に対して変化させることを特徴
とする磁気的スケールの製作方法を提供する。

【０００６】

【作用】母材の表層部と、母材の表面に重ね合わせられ
る薄い板材の金属組織は、しごき加工を受けることによ
って微細化された上で相互に完全に密着するから、その
一部が高密度エネルギ源によって局部的に加熱されて溶
融すると、薄い板材の溶融部分が、それと密着している
母材の部分と融合し薄い板材と違った化学成分をもつも
のとなる。この場合、二つの部分の組織が予めしごき加
工によって微細化されており、また接着状態に近い完全
な密着状態にあるから、溶融層内では均一な融合状態が
得られ、組成が部分的に偏ることがない。従って、溶融
層が冷却固化した後も、磁気的特性にばらつきの生じる
ことが避けられる。

【０００７】

【実施例】図１に本発明の第１実施例を示す。図中１
は、機械、器具等において位置或いは変位を検出すべき
対象部分となる一つの部材であって、図示実施例の場合
は鋼材（Ｓ４５）からなる外径３８ｍｍの円柱である。
この実施例は、円柱１を母材として、その表面に磁気的
な目盛りを施して磁気的スケールを製作する好適な方法
を提供するものである。そこで円柱１の外側に、それよ
りも僅かに大きい内径を有するオーステナイト系ステン
レス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる薄肉パイプ２を嵌合
し、この嵌合材の表層部にしごき加工（スピニング加
工）を施こすことによって、薄肉パイプ２と円柱１の表
層部の金属組織を微細化すると共に、それらを緊密に密
着させ、強磁性体の鋼材の表面を非磁性体のステンレス
鋼によって一体的に被覆した集成材３を作る。従って、
集成材３は、鋼材（Ｓ４５）からなる母材（円柱１）
と、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる被覆層４と
によって構成されている。

【０００８】前述のしごき加工によって集成材３の表面
が多少とも凹凸を帯びるから、集成材３の表層部に研削
加工を施してステンレス鋼からなる被覆層４を削り、そ
の厚さが０．１ｍｍとなるようにする。そして図示しな
い発振器によって発生するＹＡＧレーザビーム５を、集
光レンズ６によって直径０．２ｍｍのスポット状に絞っ
て、集成材３の被覆層４上に照射する（例．放電電圧４
６０Ｖ、パルス幅０．５ｍＳ）。レーザビーム５の照射
を受けた部分は、高い密度のエネルギを与えられること
によって、スポット状に温度が上昇して所定の深さまで
溶融し、薄い溶融層を形成するので、母材である円柱１
の鋼材（Ｓ４５）と被覆層４のステンレス鋼（ＳＵＳ３
０４）とが融合する。なお、溶融層４を形成するために
使用するＹＡＧレーザビーム５は、一般的には高密度エ
ネルギビームであれば良く、例えばＣＯ₂ レーザビーム
や電子ビーム等も使用することができる。

【０００９】本発明の特徴として、母材である円柱１と
被覆層４とはしごき加工によって予め金属組織が微細化
されていると共に、両者が緊密に密着しており、金属結
晶が絡み合った状態にあるから、レーザビーム５の照射
を受けたスポット状の溶融層において、それらの異なる
素材が互いに融合する時にも、部分的な組成の偏りが発
生することがなく、溶融層は平面的には均一な組成をも
ったものとなる。そして、レーザビーム５の照射が止
み、溶融層が冷却して固体に戻ると、その部分が被覆層
４とは異なり母材である円柱１に近い強磁性体であるス
ポット７となり、非磁性体であるステンレス鋼（ＳＵＳ
３０４）からなる被覆層４の中に、強磁性体のスポット
７が島のようになって残ることになる。このようにし
て、溶融部と非溶融部との間に大きい磁気的特性の差が
与えられる。

【００１０】そこで、集成材３上の異なる位置にレーザ
ビーム５の照射を繰り返して、軸方向及び円周方向に間
隔が例えば０．３ｍｍとなるように、直径０．２ｍｍの
スポット７を多数配列させ、スポット７の集合として所
定のパターンを形成すると、それが磁気的スケール８と
しての働きをする。図１に例示したもののように、スポ
ット７を数個づつ集めたグループの幾つかを円周方向に
配列するとか、多数のスポット７を軸方向或いは円周方
向に筋状に繋いだものを、等間隔に何本も配列すると
か、或いは色々な形の連続した帯状のものとするとか、
必要に応じて色々な形のパターンを採用することができ
る。

【００１１】一般的に言えば、等間隔に配列したスポッ
ト７とかスポット７のグループは、磁気的スケールとし
てはデジタル信号を発生するので、後述のように、磁気
センサの前を通過したスポット７の数を数えれば、母材
である円柱１の相対的変位量（軸方向或いは円周方向）
を検出することができる。また、単位面積当たりのスポ
ット７の密度が異なるように、スポット７を所定のルー
ルに従って不均等に配列すれば、母材である円柱１上の
特定の位置毎に、１つの磁気センサが読み取り得る一定
の面積内に入るスポット７の数が変化することから、言
いかえれば、位置毎に異なるスポット７の密度が特定の
位置を示す指標となることから、磁気センサが出力する
信号の強さをアナログ信号として処理することによっ
て、母材である円柱１の絶対的な位置を検出することが
できる。

【００１２】このように、母材である円柱１上に形成し
た強磁性のスポット７と、非磁性の被覆層４からなる磁
気的スケール８に記録された情報を読み取って、円柱１
の変位量或いは位置を示す信号を発生する装置の概略を
図２に示している。図中９は磁気センサを示し、この例
における磁気センサ９は直径２ｍｍの検出用コイル即ち
ピックアップコイルであって、磁気的スケール８に近接
して支持され、発振・増幅回路１０から２メガヘルツの
励磁電流が供給されている。検出用コイル９はそれが対
面している磁気的スケール８の表面の電磁気特性を読み
取って、デジタル或いはアナログ信号を発生し、図示し
ない制御装置は検出用コイル９の出力信号に基づいて、
円柱１の変位量或いは位置を検知する。なお、磁気セン
サとしては、検出用コイルの他にも、例えば磁気抵抗素
子、ホール素子等の公知の電磁気センサを利用すること
ができる。

【００１３】以上説明した第１実施例では、母材である
円柱１上に形成された非磁性の被覆層４と、溶融層によ
って形成された強磁性のスポット７によって磁気的スケ
ール８を構成したが、磁性材と非磁性材の位置関係を逆
にしたものでも、略同様に磁気的スケールとしての作用
をする。即ち第２実施例としてその一例を挙げれば、第
１実施例に倣って、オーステナイト系ステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ３１６）から母材である円柱１を製作し、それに対
してフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４７Ｊ１）か
らなる薄肉パイプ２を被せて、それにしごき加工を施
し、両者の金属組織を微細化すると共に、それらを完全
に密着させた集成材３を作り、これに研削加工を施して
被覆層４の厚さが０．１ｍｍとなるように調整したの
ち、これにレーザビーム５によってスポット状の溶融層
を作り、それが冷却したスポット７を被覆層４上に多数
形成することによって、第１実施例と置き替え得る磁気
的スケール８を構成するのである。

【００１４】この第２実施例によれば、母材である円柱
１は非磁性体であるオーステナイト系ステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ３１６）からなるのに対して、被覆層４は強磁性体
であるフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４７Ｊ１）
からなるが、レーザビーム５を照射して形成されるスポ
ット状の溶融層では、母材である円柱１の材質の影響で
非磁性のスポット７が形成される。従って、この場合の
磁気的スケール８は、強磁性の被覆層４の上に島のよう
に分布する非磁性のスポット７によって、所定のパター
ンが構成されることになるが、磁気的スケール８に対し
て設けられる磁気センサの種類や、出力信号の処理の仕
方に微差があるとしても、第１実施例と同じ技術思想に
属するものと考えることができる。

【００１５】図３は本発明の第１実施例及び第２実施例
の試作品において、磁気センサ９の出力する信号の強度
を実測して示したもので、比較のために、本発明の方法
の特徴であるしごき加工をしない場合と、単なる鋼材
（Ｓ４５）の場合をも併せて掲げている。棒グラフの先
端に示された範囲が、信号強度のばらつきの範囲を示し
ている。この検出結果の比較から明らかなように、しご
き加工の有無によって、検出される信号の平均的な強度
にはあまり大きな差が出ていないものの、信号強度のば
らつきにおいては顕著な差が見られる。単にスポット７
の数をカウントして、デジタル信号を発生させる場合で
あれば、信号強度のばらつきが制御結果に悪影響を及ぼ
すことが少ないと言えるが、位置の検知の場合などでは
信号強度をアナログ信号として利用するので、信号強度
のばらつきは制御結果の信頼性を大きく低下させること
になりかねないから、本発明によって信号強度のばらつ
きが縮小する意義は大きい。

【００１６】以上具体的に説明した実施例は、いずれも
母材である円柱１に対して薄肉パイプ２を嵌合して被覆
層４を形成するものであるが、本発明における磁気的ス
ケール８は円柱状のものである必要はないから、例えば
平板状の母材によって磁気的スケールを形成することも
可能である。この場合は被覆層を形成するために母材に
重ね合わせられる材料も、母材の平板形状に合わせて薄
板状のものや、箔帯状のもの等を使用することになる。
また、磁気センサ９が磁気的スケール８の表面に極めて
接近して設けられる場合は、被覆層４の表面にスポット
７等のパターンを形成したあと、研削によって磁気的ス
ケール８の表面を研磨して凹凸を取り除くことも必要に
なる。

【００１７】

【発明の効果】本発明の方法を実施することにより、磁
気的スケールを構成するための溶融層の内部における磁
気的特性のばらつきが除かれるから、磁気的スケールか
ら磁気センサによって読み取られる信号の強度が一定に
近くなり、制御の安定性、信頼性や精度が高くなる。特
に、磁気的スケールからアナログ信号を読み出す場合に
は、信号の強度をそのままアナログ信号として使用する
ことができるので、きわめて有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法の第１実施例の工程を示す斜視図
である。

【図２】本発明の方法によって製作された磁気的スケー
ルと、それに組合せられる磁気センサの使用態様を示す
斜視図である。

【図３】本発明の効果を示す棒グラフである。

【符号の説明】

１…母材（円柱） ２…薄肉パイプ ３…集成材 ４…被覆層 ５…レーザビーム ７…スポット ８…磁気的スケール ９…磁気センサ（検出用コイル）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁性材料又は非磁性材料によって形成さ
   れた母材の表面に、前記母材が磁性材料であるときは非
   磁性材料からなり、また前記母材が非磁性材料であると
   きは磁性材料からなる薄い板材を重ね合わせる工程と、
   しごき加工によって前記母材に対して前記薄い板材を密
   着させると共に組織を微細化させる工程と、高密度エネ
   ルギ源を用いて前記薄い板材の一部とそれに密着してい
   る前記母材の一部の表層部分を溶融させて両者の成分を
   融合させる工程からなり、それによって、溶融した前記
   薄い板材の前記一部の磁気的特性を、他の部分に対して
   変化させることを特徴とする磁気的スケールの製作方
   法。