JPH08219908A - 磁歪式歪センサ - Google Patents
磁歪式歪センサInfo
- Publication number
- JPH08219908A JPH08219908A JP5183195A JP5183195A JPH08219908A JP H08219908 A JPH08219908 A JP H08219908A JP 5183195 A JP5183195 A JP 5183195A JP 5183195 A JP5183195 A JP 5183195A JP H08219908 A JPH08219908 A JP H08219908A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- strain sensor
- transmission shaft
- magnetic film
- force transmission
- magnetstrictive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 低コストで信頼性の高い電気ニッケルめっき
で構成された磁歪式歪センサを得る。 【構成】力伝達軸１の所定位置外周表面に形成した逆磁
歪効果を有する磁性膜２と、その外周部に空隙をもうけ
て配置した励磁コイル３および検出コイル４とを備え、
力伝達軸１に加わる力に対応した磁性膜２の歪により変
わる磁性膜２の透磁率変化をコイルのインピーダンス変
化を測定して歪を検出する磁歪式歪センサの、磁性膜２
が電気ニッケルめっきで形成されており、かつ、その内
部応力が圧縮応力で５〜１１ｋｇｆ／ｍｍ2 の値に調整
された構成にしている。力伝達軸１の材質をオーステナ
イト系ステンレスまたは銅にするとなおよい。
で構成された磁歪式歪センサを得る。 【構成】力伝達軸１の所定位置外周表面に形成した逆磁
歪効果を有する磁性膜２と、その外周部に空隙をもうけ
て配置した励磁コイル３および検出コイル４とを備え、
力伝達軸１に加わる力に対応した磁性膜２の歪により変
わる磁性膜２の透磁率変化をコイルのインピーダンス変
化を測定して歪を検出する磁歪式歪センサの、磁性膜２
が電気ニッケルめっきで形成されており、かつ、その内
部応力が圧縮応力で５〜１１ｋｇｆ／ｍｍ2 の値に調整
された構成にしている。力伝達軸１の材質をオーステナ
イト系ステンレスまたは銅にするとなおよい。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は磁性体の逆磁歪効果を利
用した磁歪式歪センサ、例えば、クランプ力、モータの
トルク、液体の圧力や電線の張力等を測定する歪センサ
に関する。
用した磁歪式歪センサ、例えば、クランプ力、モータの
トルク、液体の圧力や電線の張力等を測定する歪センサ
に関する。
【０００２】
【従来技術】回転駆動系を有するロボットやマニュプレ
ータおよび工作機械などの制御に非接触小型トルクセン
サが要求されている。このようなトルクセンサとして、
回転軸の表面に短冊状の磁性材が軸方向に対して４５°
の角度でもうけられたものがある。回転軸には機械構造
用炭素鋼やステンレス鋼などが用いられ、磁性材にはア
モルファス磁性箔が接着法により形成したものやＮｉ−
Ｆｅの結晶性の磁性膜がスパッタ法やめっき法などで形
成したものが用いられている。回転軸にトルクが印加さ
れると磁性材に歪が加わり磁気特性が変化する。この磁
気特性の変化を回転軸の周囲に巻いているコイルにより
インピーダンス変化として検出し、トルクに換算する。
また、送電線や電車線などの張力を測定し監視する試み
が進められている。このような張力センサとして、力伝
達軸の所定位置の外周表面に一様に磁性材をもうけたも
のがある。力伝達軸に付加された張力は、前述のトルク
センサと同様な方法で検出している。
ータおよび工作機械などの制御に非接触小型トルクセン
サが要求されている。このようなトルクセンサとして、
回転軸の表面に短冊状の磁性材が軸方向に対して４５°
の角度でもうけられたものがある。回転軸には機械構造
用炭素鋼やステンレス鋼などが用いられ、磁性材にはア
モルファス磁性箔が接着法により形成したものやＮｉ−
Ｆｅの結晶性の磁性膜がスパッタ法やめっき法などで形
成したものが用いられている。回転軸にトルクが印加さ
れると磁性材に歪が加わり磁気特性が変化する。この磁
気特性の変化を回転軸の周囲に巻いているコイルにより
インピーダンス変化として検出し、トルクに換算する。
また、送電線や電車線などの張力を測定し監視する試み
が進められている。このような張力センサとして、力伝
達軸の所定位置の外周表面に一様に磁性材をもうけたも
のがある。力伝達軸に付加された張力は、前述のトルク
センサと同様な方法で検出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の歪セ
ンサで使用される磁性膜は、前述のように、接着による
アモルファス箔かスパッタ膜かＮｉーＦｅ電気めっき膜
である。アモルファス箔は接着剤を使用するので湿度や
温度に対する信頼性に乏しいが、スパッタ法や電気めっ
き法は基材に直接、付着できるので信頼性に優れてい
る。しかし、スパッタ法は量産性に乏しくコストが高い
という欠点がある。ＮｉーＦｅ電気めっき法はコストや
量産性に優れている。ＮｉやＮｉーＦｅめっき法につい
ては林ら（第１３回日本応用磁気学会講演概要集ｐ．６
８）の研究がある。これによると、ＮｉーＦｅめっきの
出力は大きいが、Ｎｉめっきのセンサ出力は極めて小さ
いと報告されている。出力の大きいＮｉーＦｅめっきは
組成の再現性がないため、実際には使用されていない。
すなわち、Ｆｅを含まない純粋なＮｉめっきであれば組
成の再現性を考慮する必要がないので、いかにしたらセ
ンサ出力が得られるかが最大の課題であった。そこで、
本発明は信頼性が高くコストの低い電気ニッケルめっき
で構成された磁歪式歪センサを提供することを目的とす
る。
ンサで使用される磁性膜は、前述のように、接着による
アモルファス箔かスパッタ膜かＮｉーＦｅ電気めっき膜
である。アモルファス箔は接着剤を使用するので湿度や
温度に対する信頼性に乏しいが、スパッタ法や電気めっ
き法は基材に直接、付着できるので信頼性に優れてい
る。しかし、スパッタ法は量産性に乏しくコストが高い
という欠点がある。ＮｉーＦｅ電気めっき法はコストや
量産性に優れている。ＮｉやＮｉーＦｅめっき法につい
ては林ら（第１３回日本応用磁気学会講演概要集ｐ．６
８）の研究がある。これによると、ＮｉーＦｅめっきの
出力は大きいが、Ｎｉめっきのセンサ出力は極めて小さ
いと報告されている。出力の大きいＮｉーＦｅめっきは
組成の再現性がないため、実際には使用されていない。
すなわち、Ｆｅを含まない純粋なＮｉめっきであれば組
成の再現性を考慮する必要がないので、いかにしたらセ
ンサ出力が得られるかが最大の課題であった。そこで、
本発明は信頼性が高くコストの低い電気ニッケルめっき
で構成された磁歪式歪センサを提供することを目的とす
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明は力伝達軸の所定位置外周表面に形成した逆
磁歪効果を有する磁性膜と、その外周部に空隙をもうけ
て配置した励磁コイルおよび検出コイルとを備え、前記
力伝達軸に加わる力に対応した前記磁性膜の歪により変
わる前記磁性膜の透磁率変化を前記コイルのインピーダ
ンス変化を測定して歪を検出する磁歪式歪センサにおい
て、前記磁性膜が電気ニッケルめっきで形成されてお
り、かつ、その内部応力が圧縮応力で５〜１１ｋｇｆ／
ｍｍ2 の値に調整された構成にしている。前記力伝達軸
の材質をオーステナイト系ステンレスまたは銅にすると
なおよい。
に、本発明は力伝達軸の所定位置外周表面に形成した逆
磁歪効果を有する磁性膜と、その外周部に空隙をもうけ
て配置した励磁コイルおよび検出コイルとを備え、前記
力伝達軸に加わる力に対応した前記磁性膜の歪により変
わる前記磁性膜の透磁率変化を前記コイルのインピーダ
ンス変化を測定して歪を検出する磁歪式歪センサにおい
て、前記磁性膜が電気ニッケルめっきで形成されてお
り、かつ、その内部応力が圧縮応力で５〜１１ｋｇｆ／
ｍｍ2 の値に調整された構成にしている。前記力伝達軸
の材質をオーステナイト系ステンレスまたは銅にすると
なおよい。
【０００５】
【作用】磁歪式歪センサにおいて出力を大きくするため
には、磁性膜の異方性の方向を考慮する必要がある。磁
性膜の異方性は形状異方性と応力磁気異方性で決まるの
で、このうち応力磁気異方性を適正な値にするという考
え方により電気めっき条件を検討した。つまり、電気め
っきの際にめっき浴中に添加剤を入れてめっき膜の内部
応力を変化させれば応力磁気異方性が変化するという考
え方である。その結果、適正な内部応力範囲がある事を
見いだした。内部応力の適正値が存在する点については
明確ではないが、磁気異方性の方向がセンサ出力を得る
のに適した方向であるためと考えられる。内部応力が大
きすぎると出力が得られなくなるのは、膜の保磁力が大
きくなるためである。
には、磁性膜の異方性の方向を考慮する必要がある。磁
性膜の異方性は形状異方性と応力磁気異方性で決まるの
で、このうち応力磁気異方性を適正な値にするという考
え方により電気めっき条件を検討した。つまり、電気め
っきの際にめっき浴中に添加剤を入れてめっき膜の内部
応力を変化させれば応力磁気異方性が変化するという考
え方である。その結果、適正な内部応力範囲がある事を
見いだした。内部応力の適正値が存在する点については
明確ではないが、磁気異方性の方向がセンサ出力を得る
のに適した方向であるためと考えられる。内部応力が大
きすぎると出力が得られなくなるのは、膜の保磁力が大
きくなるためである。
【０００６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて詳細に
説明する。 （第一実施例）図１は本発明の第一実施例を示すトルク
センサの正面図である。図において、１は力伝達軸であ
る回転軸、２はニッケルめっきを施した磁性膜、３は励
磁コイル、４は検出コイルである。回転軸１は直経３０
ｍｍの銅およびＳＵＳ３０４ステンレス鋼を用いた。磁
性膜２は回転軸１をトリクレン、純水、アルコールの順
に超音波洗浄を施したのち、電気めっきにより厚さ５μ
ｍのニッケルをマスクを用いて作製した。なお、マスク
は回転軸にの軸方向に対して４５°の角度をもつ短冊状
の金属箔を用いた。ニッケルめっき浴の条件は組成をＮ
ｉＳＯ4 ・６Ｈ2Ｏを240g/l、ＮｉＣｌ2 ・６Ｈ2 Ｏを
40g/l、Ｈ3 ＢＯ3 を 30g/l、添加剤 5〜40g/l 、浴温
を６０°Ｃとした。添加剤はジスルホン酸ソーダとし
た。めっき膜の内部応力は添加剤の材質と量で調整し
た。トルクセンサは回転軸１の周囲に配置した励磁コイ
ル３を２００ターン、検出コイル４を６００ターンとし
て構成した。回転軸１にトルクを付加してセンサ出力を
測定した。その結果を図４に示すように、めっき膜の内
部応力が圧縮応力の５〜１１ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲で出
力が得られた。 （第二実施例）図２は本発明の第二実施例を示す張力セ
ンサの正面図である。力伝達軸１は直経３０ｍｍの銅お
よびＳＵＳ３０４ステンレス鋼を用い、第一実施例と同
様の方法で作製した。励磁コイル３および検出コイル４
の条件も第一実施例と同じである。力伝達軸１に引張力
を付加してセンサ出力を測定した結果を図５に示す。第
一実施例と同様にめっき膜の内部応力が圧縮応力の５〜
１１ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲で出力が得られた。 （第三実施例）図３は本発明の第三実施例を示す圧縮セ
ンサの正面図である。力伝達軸１は第二実施例のものを
そのまま用い、センサ出力の検出をコイルの代わりに磁
気ヘッド５を用いて行った。磁気ヘッド５はヨーク５１
に励磁コイル５２と検出コイル５３を巻回している。力
伝達軸１に圧縮力を付加してセンサ出力を測定した結果
を図６に示す。第二実施例と同様にめっき膜の内部応力
が圧縮応力の５〜１１ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲で出力が得
られた。なお、本実施例では力伝達軸１の材質を銅およ
びＳＵＳ３０４ステンレス鋼の二種類としたが、ニッケ
ルめっきが付着できるものであれば、Ｔｉ合金、機械構
造用炭素鋼など他の非磁性材料や磁性材料を用いてもよ
い。また、力伝達軸１の材質が強磁性材料の場合でも、
表面に測定磁界の侵入深さを考慮した膜厚のニッケルめ
っきを施せばよい。めっきの内部応力調整方法は浴組成
や添加剤の種類をかえる以外にその他の方法を用いても
よい。又、本実施例では示さなかった磁歪式圧力センサ
にも利用できることは明らかである。
説明する。 （第一実施例）図１は本発明の第一実施例を示すトルク
センサの正面図である。図において、１は力伝達軸であ
る回転軸、２はニッケルめっきを施した磁性膜、３は励
磁コイル、４は検出コイルである。回転軸１は直経３０
ｍｍの銅およびＳＵＳ３０４ステンレス鋼を用いた。磁
性膜２は回転軸１をトリクレン、純水、アルコールの順
に超音波洗浄を施したのち、電気めっきにより厚さ５μ
ｍのニッケルをマスクを用いて作製した。なお、マスク
は回転軸にの軸方向に対して４５°の角度をもつ短冊状
の金属箔を用いた。ニッケルめっき浴の条件は組成をＮ
ｉＳＯ4 ・６Ｈ2Ｏを240g/l、ＮｉＣｌ2 ・６Ｈ2 Ｏを
40g/l、Ｈ3 ＢＯ3 を 30g/l、添加剤 5〜40g/l 、浴温
を６０°Ｃとした。添加剤はジスルホン酸ソーダとし
た。めっき膜の内部応力は添加剤の材質と量で調整し
た。トルクセンサは回転軸１の周囲に配置した励磁コイ
ル３を２００ターン、検出コイル４を６００ターンとし
て構成した。回転軸１にトルクを付加してセンサ出力を
測定した。その結果を図４に示すように、めっき膜の内
部応力が圧縮応力の５〜１１ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲で出
力が得られた。 （第二実施例）図２は本発明の第二実施例を示す張力セ
ンサの正面図である。力伝達軸１は直経３０ｍｍの銅お
よびＳＵＳ３０４ステンレス鋼を用い、第一実施例と同
様の方法で作製した。励磁コイル３および検出コイル４
の条件も第一実施例と同じである。力伝達軸１に引張力
を付加してセンサ出力を測定した結果を図５に示す。第
一実施例と同様にめっき膜の内部応力が圧縮応力の５〜
１１ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲で出力が得られた。 （第三実施例）図３は本発明の第三実施例を示す圧縮セ
ンサの正面図である。力伝達軸１は第二実施例のものを
そのまま用い、センサ出力の検出をコイルの代わりに磁
気ヘッド５を用いて行った。磁気ヘッド５はヨーク５１
に励磁コイル５２と検出コイル５３を巻回している。力
伝達軸１に圧縮力を付加してセンサ出力を測定した結果
を図６に示す。第二実施例と同様にめっき膜の内部応力
が圧縮応力の５〜１１ｋｇｆ／ｍｍ2 の範囲で出力が得
られた。なお、本実施例では力伝達軸１の材質を銅およ
びＳＵＳ３０４ステンレス鋼の二種類としたが、ニッケ
ルめっきが付着できるものであれば、Ｔｉ合金、機械構
造用炭素鋼など他の非磁性材料や磁性材料を用いてもよ
い。また、力伝達軸１の材質が強磁性材料の場合でも、
表面に測定磁界の侵入深さを考慮した膜厚のニッケルめ
っきを施せばよい。めっきの内部応力調整方法は浴組成
や添加剤の種類をかえる以外にその他の方法を用いても
よい。又、本実施例では示さなかった磁歪式圧力センサ
にも利用できることは明らかである。
【０００７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明は内部応力を
保持した電気ニッケルめっきの膜で歪センサを構成した
ので、Ｎｉ−Ｆｅめっきのような組成の再現性も不要と
なり、低コストで信頼性の高い歪センサを実現できる効
果がある。
保持した電気ニッケルめっきの膜で歪センサを構成した
ので、Ｎｉ−Ｆｅめっきのような組成の再現性も不要と
なり、低コストで信頼性の高い歪センサを実現できる効
果がある。
【図１】本発明の第一実施例を示す磁歪式トルクセンサ
の平面図である。
の平面図である。
【図２】本発明の第二実施例を示す磁歪式張力センサの
平面図である。
平面図である。
【図３】本発明の第三実施例を示す他の磁歪式圧縮セン
サの平面図である。
サの平面図である。
【図４】本発明の第一実施例の出力特性図である。
【図５】本発明の第二実施例の出力特性図である。
【図６】本発明の第三実施例の出力特性図である。
１：回転軸 ２：磁性膜 ３：励磁コイル ４：検出コイル ５：磁気ヘッド ５１：ヨーク ５２：励磁コイル ５３：検出コイル
Claims (3)
- 【請求項１】 力伝達軸の所定位置外周表面に形成した
逆磁歪効果を有する磁性膜と、その外周部に空隙をもう
けて配置した励磁コイルおよび検出コイルとを備え、前
記力伝達軸に加わる力に対応した前記磁性膜の歪により
変わる前記磁性膜の透磁率変化を前記コイルのインピー
ダンス変化を測定して歪を検出する磁歪式歪センサにお
いて、前記磁性膜が電気ニッケルめっきで形成されてお
り、かつ、その内部応力が圧縮応力で５〜１１ｋｇｆ／
ｍｍ2 の値に調整されていることを特徴とする磁歪式歪
センサ。 - 【請求項２】 前記力伝達軸の材質がオーステナイト系
ステンレスまたは銅であることを特徴とする請求項１記
載の磁歪式歪センサ。 - 【請求項３】 前記インピーダンス変化の検出方式が磁
気ヘッドによる事を特徴とする請求項１または２のいず
れかに記載の磁歪式歪センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5183195A JPH08219908A (ja) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | 磁歪式歪センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5183195A JPH08219908A (ja) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | 磁歪式歪センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08219908A true JPH08219908A (ja) | 1996-08-30 |
Family
ID=12897820
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5183195A Pending JPH08219908A (ja) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | 磁歪式歪センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08219908A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007278865A (ja) * | 2006-04-07 | 2007-10-25 | Hitachi Metals Ltd | 磁歪式トルク検出装置 |
| CN100370238C (zh) * | 2005-07-18 | 2008-02-20 | 吉林大学 | 一种测量铁磁性材料内应力的装置 |
| JP2010038913A (ja) * | 2008-07-10 | 2010-02-18 | Yamaha Motor Co Ltd | 磁歪式荷重センサおよびそれを備えた移動体 |
| CN104697677A (zh) * | 2015-03-09 | 2015-06-10 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种压磁式应力传感器 |
-
1995
- 1995-02-15 JP JP5183195A patent/JPH08219908A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100370238C (zh) * | 2005-07-18 | 2008-02-20 | 吉林大学 | 一种测量铁磁性材料内应力的装置 |
| JP2007278865A (ja) * | 2006-04-07 | 2007-10-25 | Hitachi Metals Ltd | 磁歪式トルク検出装置 |
| JP2010038913A (ja) * | 2008-07-10 | 2010-02-18 | Yamaha Motor Co Ltd | 磁歪式荷重センサおよびそれを備えた移動体 |
| CN104697677A (zh) * | 2015-03-09 | 2015-06-10 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种压磁式应力传感器 |
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