JPH079361B2 - 磁気目盛の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は、磁気特性や強度に優れた磁気目盛を生産性
良く、かつ良好な経済性の下で製造する方法に関するも
のである。

＜従来技術並びにその問題点＞ 近年、例えばピストンロッド等の変位量や変位速度等を
測定するのに“磁気目盛”の採用が目立つようになって
きた。

“磁気目盛”とは、金属材料等から成る基体表面に線状
又は帯状の磁気的変質部を規則的に配列形成して目盛部
となしたものであり、その表面部に近接対峙させた磁気
センサーで上記目盛を読み取ることによって、前記基体
と磁気センサーとの相対変位を測定するためのものであ
る。

従来、このような“磁気目盛”として、強磁性体から成
る基体に空隙溝を削り出し、この空隙溝を磁気変質部と
して活用するものが知られていた。

しかし、このようにして製作された“磁気目盛”は磁気
目盛特性が良くて高い出力を得られるものではあった
が、その構造上、ピストンロッドや案内軸等のような摺
動軸には使用できず、しかも製造コストや機械的強度上
からも実用的でないという問題点があった。

また、特開昭57−16309号公報にみられるように、金属
材料表面に高エネルギービームを照射して局部的に熱処
理し、その部分を磁気的に変質させて目盛付けするとい
う手段で“磁気目盛”を製作する方法も提案されたが、
この場合には製作方法自体は簡便ではあるものの母材部
（基体部）と熱処理部との磁気特性の差が小さい製品し
か得られず、使用に当たって高価な検出装置を必要とし
たり、或いは製品の信頼性が今一つ十分でないとの問題
点があった。もっとも、上記提案の中には磁気特性向上
対策についても触れられており、25％Fe−75％Ni合金等
の非常に高価な磁性材料を適用する例が示されている
が、このようにして得られる製品は高価であるばかりで
はなく強度や耐摩耗性の面でも余り高くは望めないこと
から用途上の制約が多い上、磁気特性も完全とは言い難
いものであった。

即ち、“磁気目盛”においては、理論上、空隙溝を形成
することによりその部分で最大の磁気出力が得られるよ
うになることは既に述べたが、前記“空隙溝”とは、言
い換えれば“非磁性体”を指すものであり、従って上記
事項は「強磁性体」と非磁性体を組み合わせたものが磁
気目盛として最良である」ことを示しているものであ
る。ところが、前記提案のFe−Ni合金を使用した“磁気
目盛”は、母材部（基体部）及び熱処理部とも強磁性体
であって、単にそれらの透磁率の差によってのみ目盛が
形成されているに過ぎないものであるから、磁気特性上
必ずしも理想的な製品とは言えないのである。

更に、これ等とは別に、化学メッキにより金属材の表面
にNi及びＰを主成分とする薄膜（0.2〜0.3mm厚）を形成
して基体とし、部分的な通電加熱やレーザなどの粒子線
による加熱よって前記基体上の薄膜に磁気的変質部を所
定間隔で設けて成る“磁気目盛”も提案されている（特
開昭58−7517号）。

しかしながら、上記の如き“Ni及びＰを主成分とするメ
ッキ薄膜に部分加熱処理を施して変質部を形成したも
の”では、目盛の読み取り感度が比較的低いためにS/N
比が悪いという欠点があって、感度を高めるためには薄
膜の厚さをかなり厚くしなければならない等の経済的不
利を避け得ない上、磁気目盛表面に耐摩耗性が要求され
る場合には更にクロムメッキ等の耐摩耗性被覆を施す必
要があって加工工程が複雑になるとの問題点があり、ま
た加熱処理されたメッキ薄膜にクラック等の損傷が発生
する恐れもあった。

このような状況の下で、本発明者等は、先に、前記従来
法が有する問題点をほぼ解消したところの『基体が冷間
加工誘起変態によるマルテンサイト組織を10％以上含む
強磁性体のオーステナイト鋼であり、目盛部が局部的な
溶融処理による非磁性のオーステナイト組織であること
を特徴とする磁気目盛』を提案した。

本発明者等の提案になる上記磁気目盛は、“準安定オー
ステナイト鋼を冷間加工して強磁性化した基体にレーザ
照射して局部的な非磁性化部を形成し目盛としたもの”
であって、極めて良好な磁気特性を有するものである。

即ち、一般に、鋼は高温域での安定組織であるオーステ
ナイト状態からMs点（通常は200℃以下）と呼ばれる変
態点以下に急冷することでマルテンサイト組織になる。

しかし、SUS304（18％Cr−８％Niステンレス鋼）に代表
される準安定オーステナイト鋼（不安定オーステナイト
鋼）は室温でもオーステナイトのままであるが、この状
態はエネルギー的には不安定で、何らかのエネルギーが
外部から加わればマルテンサイトに変態する。例えば、
このSUS304に室温で引き抜き等の塑性加工を加えるとマ
ルテンサイトに変態する。このように、加工を加えるこ
とにより変態が誘起されて生じたマルテンサイト組織は
“加工誘起マルテンサイト”と呼ばれている。

ここで、オーステナイトは非磁性であり、加工誘起マル
テンサイトは強磁性であるが、この加工誘起マルテンサ
イトにレーザー照射を行って高温域（約1000℃以上）ま
で加熱すると、再びオーステナイトになる。

そこで、第５図に示すように、準安定オーステナイト鋼
に加工を加えて（第５図に例示した加工は引き抜きダイ
ス３を使用した引き抜き加工である）一旦加工誘起マル
テンサイトにし、全体を強磁性化した後、レーザ光を等
間隔に照射して部分的な加熱を行い非磁性のオーステナ
イト部を現出させてやれば、強磁性部と非磁性部とが交
互に配列された磁気目盛が生成される。

これが、本発明者等の先の提案になる磁気目盛の原理で
ある。

しかしながら、その後の詳細な検討から、本発明者等の
提案になる前記磁気目盛は、冷間加工が不可欠なため製
作が困難な大型の引き抜き設備を必要とする太径品に適
用しにくいと言う難点や、準安定オーステナイト鋼は通
常NiやCrを比較的多量に含むのでやや高価になる等の問
題が指摘された。

＜問題点を解決するための手段＞ このため、本発明者等は従来の“磁気目盛”に指摘され
る上述のような問題点を完全に解消し、優れた磁気特性
を有することは勿論のこと、経済性の面でも一段と優れ
た“磁気目盛”を生産性良く製造し得る方法を見出すべ
く、更に種々の観点からの研究を重ねたところ、以下に
示される如き知見が得られたのである。

（ａ） “磁気目盛”における目盛はその表面部に形成
されるものであるから、素材として中実の棒材を使用せ
ずに、例えばSUS301やSUS304等の準安定オーステナイト
鋼から成る中空の鋼管を冷間引き抜きし、部分レーザ照
射等により局部溶融・急冷処理することによっても、十
分に優れた磁気性能のものが得られること。

（ｂ） 勿論、鋼管部分のみでは強度面からみて軸部品
としての使用はできないが、その中心部に構造用鋼棒等
を嵌合すれば、全体として安価で強度の高い部材となる
こと。

（ｃ） “磁気目盛”としては、磁気特性上からも強度
上からも表層材と中心材とは完全に密着していなければ
ならないが、上記鋼管に鋼棒等の棒材を嵌合し両者を同
時に引き抜きダイスを通して引き抜きする、所謂“合わ
せ引き”を行うと、表層材と中心材とが十分に密着した
部分を容易に実現し得ること。

（ｄ） ただ、この場合、引き抜き力を小さくして太径
品の製造を可能ならしめるためには“合わせ引き”の際
の中心材（棒材）にかかる塑性加工量をできるだけ減じ
る必要があり、一方、密着度を増すためには塑性加工量
を高めることが好ましいが、引き抜き時に鋼管が縮径し
てその内径が少なくとも中心材（棒材）の初期外径に一
致するか或いはそれ以下になるようにダイス径を選べば
大型の引き抜き設備を要することなく両者のバランスが
とれた好ましい引き抜きを実施できること。なお、この
ときの各寸法関係を示すと次の通りである。

〔ダイス穴径〕≦〔棒材の外径〕＋２×〔管材の肉厚〕 （ｅ） 前記中心材は磁気センサーから見たとき磁気回
路の一部を形成するものであり、これに非磁性体を用い
ると磁束が分散して検出精度の劣化を招くので、その材
質としては強磁性体が好ましいこと。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、 「準安定オーステナイト鋼から成る管材の中に強磁性体
から成る棒材を挿入した後、これを 〔ダイス穴径〕≦〔棒材の外径〕＋２×〔管材の肉厚〕 なる関係を満たすダイスに通して両者を同時に引き抜く
ことによって管材部分に加工誘起マルテンサイトが生じ
た密着複合体となし、次いで局所的なレーザ照射を行っ
て該複合体の表面部を局所的に融解・急冷することでそ
の部分を非磁性化することにより、磁気特性や強度に優
れ、しかも比較的安価な磁気目盛を経済性良く製造す
る」点 に特徴を有するものである。

なお、上記“準安定オーステナイト鋼”とは、「溶体化
処理を受けることによって完全オーステナイト組織とな
り非磁性を示すが、その後の冷間加工により加工誘起変
態を生じてマルテンサイト組織となり強磁性化し、更に
再度の溶体化処理で完全オーステナイト組織となって非
磁性となるもの」であり、SUS301やSUS304で表示される
ステンレス鋼が代表的なものとして知られているが、こ
の発明に適用するに当たっては、その種類が問われるも
のではない。また、管材の中に挿入する強磁性体製棒材
もその材質が問われるものではないが、“磁気目盛”の
中心材としての上記棒材は一方で構造部材としての機能
も要求されるため、構造用鋼を選べば、磁気回路構成部
材及び構造部材の両要求特性が満足される上、安価でも
あるので好都合である。そして、従来の軸全体を準安定
オーステナイト鋼で製作する“磁気目盛”と比べると中
心材に遥かに良好な強磁性体を使用できるので、その性
能を一段と高めることができる。

続いて、“合わせ引き”の際のダイス穴径を 〔ダイス穴径〕≦〔棒材の外径〕＋２×〔管材の肉厚〕 と定めた理由を説明する。

本発明では、まず磁気目盛制作素材である準安定オース
テナイト鋼製管材に引き抜き加工（合わせ引き）を加え
て加工誘起マルテンサイトを生じさせることから、表面
材としての前記管材には、加工が加わるように外径が引
き抜きダイスの穴径よりも大きなものを使用する必要が
あることは言うまでもないが、制作する磁気目盛の磁気
特性や強度の点から、加工後の管材は挿入した棒材（中
心材）と十分に密着している必要がある。

しかるに、管材に引き抜き加工を施すと外径が縮径する
と同時にその肉厚は増大する傾向にあるから、第６図で
示す如く管材に棒材（中心材）を挿入して“合わせ引
き”を行う際に、例え上記式の等号が成り立つようにダ
イス穴径を定めた場合でも、棒材（中心材）に面圧が作
用して僅かであれ塑性変形が与えられることとり管材と
棒材との密着がなされる。勿論、引き抜き機の能力に余
裕があればダイス穴径を更に小さくとって棒材（中心
材）に積極的に減面率を与えることで更に良好な結果が
得られることは言うまでもない。

しかし、ダイス穴径をこれ（上記式の等号が成り立つ状
態）より大きくすると、管材と棒材（中心材）との密着
度が劣化して微小な間隙ができるため磁気特性や強度の
低下を招いてしまう。このようなことから、前記ダイス
穴径を先に示した式によって限定した。

ところで、表面材（管材）の減面率（加工度）は“磁気
目盛”の磁気特性を左右するので出来るだけ高くとるの
が望ましいが、十分に満足できる磁気目盛特性を確保す
るためには、少なくとも加工誘起マルテンサイトの量が
10以上になるような減面率としたい。

次いで、この発明を実施例によって具体的に説明する。

＜実施例＞ 実施例 １ まず、第１表に示される成分組成の、下記の如き管材と
棒材とを用意した。

管材（溶接管）：外径…42.7mmφ，肉厚…1.6mmφ。

棒材（ショットブラストによる粗面化処理棒）：直径…
31.0mmφ。

続いて、第１図の模式図で示すように、上記準安定オー
ステナイト鋼（SUS304相当材）製管材１の中に上記強磁
性体（S45C相当材）製丸棒材２を挿入した後、ダイス穴
径:34.2mmの引き抜きダイス３で“合わせ引き”を行っ
た。

一方、比較として、上記管材と同一成分組成で直径が3
8.2mmφの棒材を用意し、これを上記と同じ穴径（34.2m
mφ）のダイスにてそのまま引き抜き加工した。

このときの引き抜き荷重を測定したところ第２表に示す
如き結果が得られ、表 面部に同じ加工度を与える場合には合わせ材素材を用い
た方が遥かに低い値となることが確認された。

なお、得られた合わせ材引き抜き製品の表面材（管材）
と中心材（棒材）の密着度を調べたところ、“磁気目
盛”として十分に満足できることも分かった。

これらの結果からも、この発明による“磁気目盛”の製
造方法は極めて生産性に優れた手段であることが明白で
ある。

実施例 ２ 次に示す如き管材と棒材を用意した。

管材（溶接管）： 材質…前記第１表に示されるSUS304相当材， 外径…42.7mmφ，肉厚…1.6mmφ。

棒材（ショットブラストによる粗面化処理棒）： 材質…前記第１表に示されるS45C相当材、同じく第１表
に示されるSUS304相当材に予め加工度20％の冷間引き抜
きを施したもの、及び純アルミニウムの３種類。

直径…31.0mmφ。

続いて、上記管材の中に上記各棒材を挿入したもののそ
れぞれについて、ダイス穴径:34.2mmφの引き抜きダイ
スで“合わせ引き”を行った。

このようにして得られた合わせ材引き抜き製品の表面部
に出力1KWの炭酸ガスレーザをスポット径:1mmで0.5m/mi
nの速度にて照射し、第２図に示すような融解深さ:0.1
〜0.2mmの目盛を形成した。なお、第２図において符号
４は中心材（基体部）、５は表面材、６は表面材の強磁
性部、７はレーザ照射部（非磁性部）をそれぞれ示す。

次に、このようにして得られた“磁気目盛”の磁気特性
と目盛出力特性を測定し、その結果を第３表に示した。
なお、第３表において、“飽和磁束密度”は中心材の表
面部から10mmφ×15mmlの試料を切り出してBHトレーサ
ーにより測定した。

また、目盛出力は、第３図に示す如く、磁気抵抗素子
（MR1,MR2）と永久磁石８とから成る磁気センサーを用
い、前記磁気抵抗素子とレーザ照射部７とのエアーギャ
ップを0.5mmとして測定した値である。なお、第３図に
おいて破線の矢印は磁束を示している。

第３表に示される結果は、中心材が非磁性のものでは出
力誤差が非常に大きく、特にセンサーを往復（“磁気目
盛”の軸方向への往復）させたときに著しく増加するこ
とを明瞭に示しており、このことから本発明の方法にて
製造される強磁性芯材を有する“磁気目盛”は極めて優
れた性能を発揮することが明白である。

ここで、出力誤差とは、第４図に示す如く、センサー又
は磁気目盛材を往復させたときの「出力波形におけるピ
ーク電圧の変化量（ピーク出力差）〔ΔＶ〕」を計測
し、そのときのピーク電圧幅（ピーク出力値）〔Ｖ〕の
1/2で除してパーセントで表示したものである。即ち、 と表わされるものである。そして、この数値は位置精度
に極めて大きな影響があるので、磁気目盛にとって重要
な特性である。

実施例 ３ 次に示す如き管材と棒材を用意した。

管材（溶接管）： 材質…前記第１表に示されるSUS304相当材， 外径…42.7mmφ， 肉厚…1.6mm,3.5mm,5mmの３種類。

棒材（ショットブラストによる粗面化処理棒）： 材質…前記第１表に示されるS45C相当材， 直径…〔42.7×0.8−2t〕mm （但し、ｔは管材の肉
厚）。

続いて、上記管材の中に上記各棒材を挿入したもののそ
れぞれについて、ダイス穴径:34.2mmφの引き抜きダイ
スで“合わせ引き”を行い、得られた合わせ材引き抜き
製品の表面部に実施例２におけると同様の条件で目盛付
けを実施してその目盛特性を調査した。なお、特性調査
方法が実施例２におけると同様あったことは言うまでも
ない。

このようにして得られた結果を第４表に示す。

第４表に示される結果からは、「表面材の厚みは、出力
値に大きな影響を与えることはないが往復出力差に大き
く影響し、薄い程良好な値を示す」ことが分かる。

従って、往復出力差の観点からは“磁気目盛”の表面材
として薄くて均一なものが要求されることは明らかであ
り、表面材が厚くならざるを得ない“鋳ぐるみ法”を適
用した製作法に比して本発明の“合わせ引き”を適用し
た製作法が優れた方法であることは一目瞭然である。

＜効果の総括＞ 以上に説明した如く、この発明によれば、 （Ａ）小さな引き抜き荷重で高い加工率の表面部（管材
部）を有した製品が得られるので、太径磁気目盛の製造
も極めて容易である、 （Ｂ）中心材に強磁性体を使用するので磁気目盛特性に
優れる、 （ｃ）高価なオーステナイト鋼は表面部に使用するのみ
であるので、材料コストを大幅に削減できる、 等の利点に基づき、磁気特性や強度に優れた“磁気目
盛”を生産性良く低コストで製造することができるな
ど、産業上極めて有用な高価がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法の“合わせ引き”工程を示す概略
模式図である。 第２図は、本発明方法のレーザ照射工程後の磁気目盛製
品断面を示す概略模式図である。 第３図は、磁気抵抗素子による目盛出力計測法の原理を
示す模式図である。 第４図は、磁気目盛の出力誤差の定義を説明するための
概念図である。 第５図は、加工誘起マルテンサイトを利用した磁気目盛
の製造原理に関する説明図である。 第６図は、“合わせ引き”の条件を説明するための図面
である。 図面において、 １……管材,2……棒材,3……引き抜きダイス， ４……中心部（基体部）,5……表面材,6……表面材の強
磁性部， ７……表面材のレーザ照射部（非磁性部）,8……永久磁
石。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土屋 善嗣 神奈川県相模原市麻溝台1805番１号 カバ ヤ工業株式会社相模工場内 (72)発明者 水崎 久嘉 神奈川県相模原市麻溝台1805番１号 カバ ヤ工業株式会社相模工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】準安定オーステナイト鋼から成る管材の中
   に強磁性体から成る棒材を挿入した後、これを 〔ダイス穴径〕≦〔棒材の外径〕＋２×〔管材の肉厚〕 なる関係を満たすダイスに通して両者を同時に引き抜く
   ことによって管材部分に加工誘起マルテンサイトが生じ
   た密着複合体となし、次いで局所的なレーザ照射を行っ
   て該複合体の表面部を局所的に融解・急冷することでそ
   の部分を非磁性化することを特徴とする、磁気目盛の製
   造方法。