JPH09166506A - 磁歪式歪センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁歪膜パターンの差異に起因する温度ドリフ
トを低減させた磁歪式歪センサーを提供する。 【解決手段】 歪伝達部材１の表面に設けた磁歪膜２
と、前記磁歪膜に対向させた第１検出器３と第２検出器
４をそなえ、検出器３、４の一方の検出器４を所定の位
置で歪伝達部材に対抗させ、他方の検出器３の位置を、
歪伝達部材１の磁歪膜２の端から、温度ドリフトが小さ
くなる位置に調整して歪伝達部材１に加わる歪の値を磁
歪膜２の透磁率の変化に基づく検出器３、４のインピー
ダンス変化として検出するようにしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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ーに関し、とくに、磁歪式
歪センサーにおける温度ドリフトを低減させるものに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧力センサーや張力センサーにお
いて、逆磁歪効果を利用して圧力や張力を検出する方法
として、歪が加わる軸や電線などの歪伝達部材の表面に
真空技術を利用して磁歪膜を付着させ、歪伝達部材に加
わる張力や圧力に応じて生じる磁歪膜の透磁率の変化を
検出することにより、歪伝達部材に加わる圧力や張力を
検出する歪センサーが用いられている。（例えば、特開
昭５９−１６４９３１、特開平６−２６９７５５な
ど）。

【０００３】このような磁歪センサーは、図１３に示す
ように、軸などの歪伝達部材１の表面の一部に真空技術
による磁歪膜２を均一に付着させ、この磁歪膜２に空隙
を介して対向するソレノイド状の第１励磁コイル３１と
第１検出コイル３２をそなえた第１検出器３を設け、磁
歪膜２が付着していない軸部分に空隙を介して対向する
第２励磁コイル４１と第２検出コイル４２を、前記第１
検出器と同様に構成させた第２検出器４を設けている。
５０は励磁回路で、第１励磁コイル３１と第２励磁コイ
ル４１を直列に接続している。６０は信号処理回路で、
第１検出コイル３２の検出値と第２検出コイル４２の検
出値とを比較して出力信号７０を送出するようにしてい
る。第１検出器３および第２検出器４の各コイルは、図
には示されていないが、それぞれ歪伝達部材１に対向す
る側を開口させた断面が凹状のヨーク内に収納してい
る。第２検出器は温度補償のためのものであり、軸１に
張力あるいは圧力が加わると、磁歪膜２の透磁率が変化
し、この変化を第１および第２の検出コイル３２、４２
のインピーダンス変化として検出し、信号処理回路６０
で差動を取り、出力信号７０を得ている。また、モータ
のトルクや、ロボットなどを駆動する回転軸のトルクを
検出する場合は、回転軸の軸方向に適当な間隔で離れた
２か所の位置にシェブロン状の磁歪膜を形成し、磁歪膜
のそれぞれに空隙を介して第１検出器および第２検出器
を対向させ、軸にトルクが加わった時に、２か所のの磁
歪膜に生じる透磁率の差によりトルクを検出するように
している。

【０００４】このように歪伝達部材に磁歪膜を設けて透
磁率の変化を検出する歪センサーにおいては、一定の歪
のもとで温度が変わると検出コイルのインピーダンスが
変わることによって温度ドリフトが発生し、精度を著し
く損ねる欠点がある。すなわち、歪を受ける軸の表面に
磁歪膜を形成した場合、軸と磁歪膜の熱膨張係数が異な
るため、温度変化で磁歪膜に歪が発生する。磁歪定数が
正の磁歪膜の場合、温度上昇により引っ張り応力がかか
ると膜の磁気特性（透磁率μ）は低下するので自己イン
ダクタンスＬは、 Ｌ＝μＳ／ｌｍ ・・・（１式） Ｓ：磁性体の断面積 ｌｍ：磁気回路長 により低下し、その結果インピーダンスは低下する。一
方、コイルの抵抗は増加するので、インピーダンスは増
加する。ここで、コイルの抵抗Ｒは、 Ｒ＝ρｌ／ｓ ・・・（２式） ｌ：コイル長 ｓ：コイル断面積 で表される。したがって、温度ドリフトに関連する二つ
の項は互いに反対のインピーダンス変化を示すことにな
り、双方の差が温度ドリフトとして現れることになる。
この温度ドリフト防止の対策として、従来は第１検出器
と第２検出器を設けて差動させることにより防ぐように
している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、圧力・張力
センサにおいては膜の有無により、またトルクセンサー
においては、作製する際に２つのパターン形状を同じよ
うに作ろうとしても、実際は不揃いとなることから、両
方の検出器が同一の条件にならず、図１４に示すよう
に、各パターンの形状が同じであった場合の特性曲線ａ
に対して、パターン形状が異なっているために特性曲線
ｂのように温度ドリフトが現れる。さらに、たとえパタ
ーンが揃っていても、膜厚を目標通りに均一にすること
は実際には困難であり、前述したように温度ドリフトが
現れ、検出精度を低下させる。すなわち、一方の検出器
と対向する磁性体の断面積をＳ１、自己インダクタンス
をＬ１、磁路長をｌｍ１、他方の検出器と対向する磁性
体の断面積をＳ２、自己インダクタンスをＬ２、磁路長
をｌｍ２とすると、△ｔ℃の温度変化で磁歪膜の透磁率
が△μ変化するとき、それぞれの自己インダクタンスの
変動△Ｌ１、△Ｌ２は、 △Ｌ１＝△μＳ１／ｌｍ１ ・・・（３式） △Ｌ２＝△μＳ２／ｌｍ２ ・・・（４式） となる。ここで、Ｓは磁歪膜の膜厚と磁歪膜の幅の積で
あるから、磁歪膜の膜厚や幅が異なると、Ｓ１≠Ｓ２と
なり、△Ｌ１≠△Ｌ２になることから検出電圧に差が生
じる。したがって、差動後の温度ドリフトとして現れ、
精度を低下させることになる。このため本発明は、製造
時に生じるパターンの不揃いや膜厚の差異により温度ド
リフトが大きくなっても、検出時における検出器に対向
する磁歪膜の断面積すなわち磁歪膜の幅や厚さ、あるい
は検出器に対向する磁歪膜の透磁率の大きさや組成を調
整することによって各検出電圧の温度ドリフト差を極め
て小さくし、差動後の温度ドリフトを極めて小さくする
ことで、高精度で実用性が高く、適用範囲の広い磁歪式
歪センサーを提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】温度ドリフトは前述した
ように、温度変化に対する各々の自己インダクタンス変
動の差に基づく検出電圧差に起因するので、温度ドリフ
トを小さくするためには、温度変化に対する各検出器の
自己インダクタンス変動が等しくなるようにすればよ
い。すなわち、温度がｔ℃変化したときの各検出器の透
磁率の変化を△μ１、△μ２とすると、Ｓ１≠Ｓ２のと
き、△Ｌ１＝△Ｌ２にするためには、（３式）（４式）
より、 △μ１×Ｓ１／ｌｍ１＝△μ２×Ｓ２／ｌｍ２ ・・・（５式） とすればよい。したがって、検出器を歪伝達部材の軸方
向にスライドさせることによって、励磁および検出する
磁歪膜の軸方向の膜幅ｌｍを変えて、断面積Ｓあるいは
透磁率の変化△μを、（５式）が成り立つように調節し
て両方のインダクタンス変動を等しくすれば、差動後の
温度ドリフトは極めて小さくなり、歪センサーの精度を
向上させることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】上記問題を解決するため、本発明
は、表面の少なくとも一部に磁歪膜を有する歪伝達部
材、あるいは磁歪を有する材料で構成されシェブロン状
の溝をそなえた歪伝達部材をそなえ、この歪伝達部材の
周囲に、それぞれ励磁コイルと検出コイルをそなえて同
様に構成された少なくとも２個の検出器を、励磁コイル
相互の励磁を等しくするため直列に接続して歪伝達部材
の軸方向に適当な間隔で設け、歪伝達部材に加わる歪の
値を検出器のインピーダンス変化として検出する歪セン
サーにおいて、前記検出器の少なくとも１個を、温度ド
リフトが小さくなる位置に調整して設置するようにして
いる。このため、前記磁歪膜と対向する少なくとも１個
の検出器を、磁歪膜または溝との対向面が、歪伝達部材
の磁歪膜または溝を有する部分と、磁歪膜または溝を有
しない部分にまたがって温度ドリフトが小さくなる位置
に調整して設置させるようにしてある。なお、検出器位
置の調整のため、前記検出器の少なくとも１個を軸方向
に移動させるため、支持棒に沿って摺動させ、あるいは
支持体に螺合させたねじに沿って移動させるなどの移動
手段をそなえることができる。また、磁歪膜には、歪伝
達部材の表面に所定の幅で周方向に付着させた帯状や、
帯状に付着させその一方の端縁から他方の端縁に向かう
複数個の平行なスリットをそなえもの、またはシェブロ
ン状に設けられたパターン膜を用いることができ、磁歪
膜の厚さ、または透磁率、あるいは組成を軸方向に次第
に変化させて形成させ、厚さ、または透磁率、あるいは
組成の適切な位置に検出器を設置させることにより温度
ドリフトが小さくなるようにしてもよい。また、磁歪を
有する歪伝達部材の一部に、軸方向の一方端から他方端
に平行な溝を設けて、歪みによるインピーダンス変化を
生じさせるものでもよく、溝の深さや溝部分の透磁率、
組成を変化させるものにも適用できる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を図に示す実施例について説明
する。 （実施例１）図１は圧力センサーや張力センサーとして
もちいられる磁歪式センサーを示す構成図の実施例であ
り、１は歪伝達部材で、ＳＵＳ３０４からなる直径２７
ｍｍの軸である。２はこの歪伝達部材１の表面の一部に
設けた磁歪膜で、９０ｗｔ％Ｎｉ−Ｆｅ合金を厚さ６μ
ｍ、軸方向幅２０ｍｍでスパッタ法によって、歪伝達部
材１の周囲に均一な厚さで付着させている。３は一方の
磁歪膜２を囲む位置に設けた第１検出器で、前記磁歪膜
の周囲に空隙を介して２００ターンの第１励磁コイル３
１と、４００ターンの第１検出コイル３２をそなえ、コ
イルの外側に歪伝達部材１に面する側を除いて断面が凹
字状に形成された３％Ｓｉ−Ｆｅの材質からなる幅２０
ｍｍのヨーク３３をそなえている。４は歪伝達部材１の
磁歪膜を付着させていない位置に設けた第２検出器で、
第２励磁コイル４１、第２検出コイル４２およびヨーク
４３を前記第１検出器と同様に構成している。５は図示
しない固定部に取り付けられ、歪伝達部材１と平行に複
数本設けた支持棒で、検出器３、４の支持片３４、４４
を摺動自由に挿通させてある。６は止めねじである。こ
のように構成した磁歪式歪センサーについて、第２検出
器４を磁歪膜のない位置に固定し、第１検出器３を磁歪
膜２に対向させてヨーク３３の端と磁歪膜２の端との距
離ｇが０の位置から第２検出器に近づく方へ移動させて
温度特性を調べた。歪伝達部材１に加わる張力が０の時
と、３０００ｋｇの張力を加えた時について張力−出力
特性を測定し、温度を２０℃〜６０℃の範囲で変動させ
て、第１検出器の各位置における温度ドリフトを調べた
結果を表１に示す。

【表１】 この結果から、検出器３のヨーク端と磁歪膜２の端との
距離ｇが、１．５ｍｍのときに温度ドリフトが０．５％
と極めて小さくなっている。なお、ヨーク初期位置の時
に比べて非直線性やヒステリシスに変化は見られなかっ
た。また、第１検出器３を第２検出器４から遠ざかる方
向に移動させた場合も、同様な結果が得られた。なお、
歪伝達部材１に圧縮力が加わる場合も同様に温度ドリフ
トを低減できることは明らかである。

【０００９】（実施例２）図２は、磁歪膜にスリットを
設けた場合の実施例で、図１と同一の部分に同じ符号を
付している。１はＳＵＳ３０４からなる直径２７ｍｍの
軸で構成された歪伝達部材で、その表面の１か所に、９
０ｗｔ％Ｎｉ−Ｆｅ合金を厚さ６μｍ、軸方向幅２０ｍ
ｍでスパッタ法によって帯状に形成し、一方の端縁から
他方の端縁に向かって複数個の平行なスリット２０をそ
れぞれ設けた磁歪膜２ａをそなえている。３、４は図１
の実施例と同じ構成の第１検出器、第２検出器で、いず
れか一方たとえば第２検出器４を、歪伝達部材１の磁歪
膜を付着させていない部分に対向させて固定し、他方の
第１検出器３を磁歪膜２ａに対向させてヨーク３３の端
と磁歪膜２の端との距離ｇが０の位置から第２検出器に
近づく方へ移動させて温度特性を調べた。歪伝達部材１
に加わる張力が０の時と、３０００ｋｇの張力を加えた
時について張力−出力特性を測定し、温度を２０℃〜６
０℃の範囲で変動させて、第１検出器の各位置における
温度ドリフトを調べた結果を表２に示してある。

【表２】 この結果から、検出器３のヨーク端と磁歪膜２ａの端と
の距離ｇが、１．５ｍｍのときに温度ドリフトが０．５
％と極めて小さくなっている。なお、ヨーク初期位置の
時に比べて非直線性やヒステリシスに変化は見られなか
った。なお、第１検出器を第２検出器から遠ざかる方向
に移動させた場合も同様の効果が得られ、歪伝達部材１
に圧縮力が加わる場合も同様に温度ドリフトを低減でき
ることは明らかである。

【００１０】（実施例３）図３はトルクセンサーとして
構成した実施例を示す構成図である。ＳＵＳ３０４から
なる直径２７ｍｍの歪伝達部材１の表面に、９０ｗｔ％
Ｎｉ−Ｆｅ合金を厚さ６μｍ、軸方向幅２０ｍｍにスパ
ッタ法によってシェブロン状に形成した磁歪膜２ｂ、２
ｃを適当な間隔で２か所に付着させている。第１検出器
３および第２検出器４は図１の場合と同じ構成である。
移動手段は図１とは異なる構造を示しており、７は検出
器を囲むガイドケースで、図示しない固定部に支持され
ており、このガイドケース７の内周面に設けたねじ７１
と、検出器３、４を支持する環状の支持片３４、４４の
外周面に設けたねじ３５、４５を螺合させ、支持片３
４、４４を介して検出器３、４を回動させることによっ
て磁歪膜２ｂ、２ｃとの対向位置を変えるようにしてい
る。この磁歪式トルクセンサーについて温度特性を調べ
た。第２検出器４を磁歪膜２ｃの中央位置に固定し、歪
伝達部材１に±５ｋｇｆｍのトルクを加えた状態で、第
１検出器３をヨーク３３の端と磁歪膜２ｂの端との距離
ｇが０の位置から第２検出器４に近づく方へ移動させて
特性を測定し、温度を２０℃〜６０℃の範囲で変動させ
て、第１検出器３の各移動位置における温度ドリフトを
調べた。その結果を表３に示す。

【表３】 表３から、検出器のヨーク端と磁歪膜の端との距離ｇ
が、１．０ｍｍのときに温度ドリフトが０．５％と極め
て小さくなっていることが明らかである。なお、ヨーク
初期位置の時に比べ、非直線性やヒステリシスに変化は
見られなかった。磁歪膜の膜厚の変更等により磁気特性
が変わり、各検出電圧の温度に対する変動率が逆転した
場合でも、磁歪膜２ｃの周囲に設けたコイルの位置を調
節することにより同様な効果を得ることができる。ま
た、第１検出器を第２検出器から遠ざかる方向に移動さ
せた場合も、同様な結果が得られた。なお、第１検出器
３を固定し、第２検出器４を移動させるようにしてもよ
い。

【００１１】（実施例４）図４に示す実施例は、検出器
に対向する帯状の磁歪膜の厚さを、磁歪膜の一方端から
軸方向に次第に厚くするように形成させた張力や圧力な
どを検出するセンサーの例で、移動手段を省略し、磁歪
膜の厚さを誇大に示している。１は歪伝達部材で、ＳＵ
Ｓ３０４からなる直径２７ｍｍの軸、２ｄは磁歪膜で、
９０ｗｔ％Ｎｉ−Ｆｅ合金を軸方向幅２０ｍｍでスパッ
タ法により形成し、成膜部位とターゲット間の距離を調
節して、膜厚さが軸方向に２μｍから１０μｍになるよ
う次第に変えて付着させている。３、４は第１検出器お
よび第２検出器で、いずれも２００ターンの第１励磁コ
イル３１および第２励磁コイル４１、４００ターンの第
１検出コイル３２および第２検出コイル４２をそなえ、
３％Ｓｉ−Ｆｅの材質からなるヨーク３３、４３を設け
ており、ヨークの軸方向の幅を１０ｍｍにしている。こ
の構成による磁歪式歪センサーの温度特性を、図１の場
合と同様に、歪伝達部材１に加わる張力が０の時と、３
０００ｋｇの張力を加えた時について、第１検出器３を
ヨーク両端間の平均膜厚さが４μｍから８μｍになる範
囲で移動させて張力−出力特性を測定し、温度を２０℃
〜６０℃の範囲で変動させて、第１検出器の各位置にお
ける温度ドリフトを調べた結果を表４に示す。

【表４】 この表から平均膜厚さが６μｍのときに温度ドリフトが
最も小さくなっていることがわかる。なお、ヨーク初期
位置の時に比べて非直線性やヒステリシスに変化は見ら
れなかった。また、これらの磁歪膜にスリットを設けた
場合も、検出器の位置を調整して同様に温度ドリフトを
低減させることができる。なお、歪伝達部材に圧縮力が
加わる圧力センサーにも適用できることは明らかであ
る。

【００１２】（実施例５）また、図５はトルクセンサー
として構成した実施例を示す構成図で、ＳＵＳ３０４か
らなる直径２７ｍｍの歪伝達部材１の表面に、９０ｗｔ
％Ｎｉ−Ｆｅ合金を軸方向幅２０ｍｍにスパッタ法によ
ってシェブロン状に形成し、膜厚が軸方向に２μｍから
１０μｍに次第に厚くなるように付着させた磁歪膜２
ｅ、２ｆを適当な間隔で２か所に付着させている。第１
検出器３および第２検出器４は図４の場合と同じであ
る。この磁歪式トルクセンサーについて温度特性を調べ
た。第２検出器４を磁歪膜２ｆの中央位置に固定し、歪
伝達部材１に±５ｋｇｆｍのトルクを加えた状態で、第
１検出器３の中央位置の膜厚さが４μｍから８μｍにな
る範囲で移動させて張力−出力特性を測定し、温度を２
０℃〜６０℃の範囲で変動させて、温度特性を測定し
た。その結果を表５に示す。

【表５】 表５から、ヨーク両端間の平均膜厚さが６μｍのときに
温度ドリフトが０．５％と極めて小さくなっていること
がわかる。なお、第１形成３を固定して第２検出器４の
位置を移動させるようにしても同様の効果が得られるこ
とは明らかである。この実施例では磁歪膜２ｅ、２ｆの
膜厚さをいずれも軸方向に変えているが、固定させた検
出器に対向する磁歪膜を均一な膜厚さに形成してもよ
い。

【００１３】（実施例６）上述した実施例は、検出器に
対向する磁歪膜の断面積Ｓを調節して、温度ドリフトを
小さくするようにしてあるが、（５）式からもわかるよ
うに透磁率の変化△μを調節するようにしてもよい。こ
のため、図６に示すように、ＳＵＳ３０４からなる直径
２７ｍｍの歪伝達部材１の表面に、９０ｗｔ％Ｎｉ−Ｆ
ｅ合金により軸方向幅２０ｍｍにスパッタ法によって６
μｍの厚さの磁歪膜２ｈを形成し、この磁歪膜より一方
端側の歪伝達部材１に、蓄熱しないように熱伝導によっ
て熱を搬出するようにした装置、たとえば冷却水を通し
て余分な熱を奪うようにした治具１１を取り付け、他方
端側の歪伝達部材にヒーター１２を設置して、磁歪膜の
ヒーター側が４００℃になるように加熱した。このとき
磁歪膜の治具側の温度を３６０℃に保持させ、この状態
で２０分加熱した。このように軸方向に温度を変えて加
熱した後の磁歪膜２ｈを、ピックアップ型のコイルで軸
方向に１ｍｍごとの透磁率を測定したところ、ヒーター
側端の透磁率に対して、反対側端の透磁率は１／２に連
続的に傾斜して漸減していることが確認された。この歪
伝達部材１の磁歪膜２ｈを用いて、図示していないが、
図４と同様のヨーク幅１０ｍｍの第１検出器を対向さ
せ、磁歪膜のない部分に同様の第２検出器を固定させ
て、第１検出器を磁歪膜端から第２検出器の方へ０〜４
ｍｍの範囲で移動させ、歪伝達部材１に加わる張力が０
の時と、３０００ｋｇの張力を加えた時について、張力
−出力特性を測定し、温度を２０℃〜６０℃の範囲で変
動させて温度特性を測定した結果を表６に示している。

【表６】 この結果から、第１検出器のヨーク端と磁歪膜２の端と
の距離ｇが、２ｍｍのときに温度ドリフトが０．５％と
極めて小さくなっていることがわかる。なお、ヨークの
移動による非直線性やヒステリシスに変化は見られなか
った。なお、磁歪膜にスリットをそなえた場合、あるい
は歪伝達部材１に圧縮力が加わる場合も、検出器位置を
調整することにより同様に温度ドリフトを低減できるこ
とは明らかである。

【００１４】（実施例７）図７は、磁歪膜の組成を軸方
向に変化させて磁歪膜の透磁率を次第に変えた歪伝達部
材を用いたもので、ＳＵＳ３０４からなる直径２７ｍｍ
の歪伝達部材１の磁歪膜を形成させる表面に、まず、Ｎ
ｉ層２１を軸方向に２０ｍｍの範囲で０から０．１μｍ
の厚さに傾斜させて付着させ、この上に８８ｗｔ％Ｎｉ
−Ｆｅ合金層２２をスパッタ法によって６μｍの厚さに
重ねて付着させ、成膜温度を３時間保持させて拡散を行
わせた。このようにして形成させた磁歪膜２ｋの組成を
調べたところ、Ｎｉ層の厚さを０．１μｍにした側の端
部の組成は９０Ｎｉ−Ｆｅになっており、他方の端部の
組成は８８Ｎｉ−Ｆｅであった。この磁歪膜２ｋを形成
した歪伝達部材１を用いて、実施例４と同様の磁歪式歪
センサーを構成して第１検出器３を移動させて温度特性
を調べた。歪伝達部材１の磁歪膜を設けていない部分に
対向させた第２検出器４を固定した状態で、磁歪膜２ｈ
に対向させた第１検出器３をヨーク端と磁歪膜の端との
距離ｇが０の位置から４ｍｍの位置まで移動させて、歪
伝達部材に加わる張力が０のときと３０００ｋｇのとき
について、張力−出力特性を測定し、温度を２０℃〜６
０℃の範囲で変動させて温度特性を測定した結果を表７
に示す。

【表７】 この表７から、ヨーク端と磁歪膜端間の距離ｇが２ｍｍ
のときに温度特性が最も小さくなっている。ヨークの移
動による非直線性やヒステリシスに変化は見られなかっ
た。また、磁歪膜にあらかじめスリットを設けた場合や
圧縮力が加わる場合も、同様にして温度ドリフトを低減
できることは明らかである。磁歪膜を２か所に設ける場
合は、磁歪膜のそれぞれ軸端側に治具１１を取り付け、
磁歪膜相互間にヒーター１２を設けて透磁率を変えるよ
うにすればよい。

【００１５】（実施例８）図８は、実施例７と同様に磁
歪膜の組成を軸方向に変化させてトルクセンサーを構成
した歪伝達部材を用いた場合の実施例で、歪伝達部材の
断面で示した部分に、磁歪膜の傾斜方向に沿った断面を
示している。１はＳＵＳ３０４からなる直径２７ｍｍの
歪伝達部材で、２か所に適当な間隔で磁歪膜２ｎ、２ｐ
をシェブロン状に形成してある。一方の磁歪膜２ｎは歪
伝達部材の表面に、あらかじめ、Ｎｉ層２１を軸方向幅
２０ｍｍの範囲で０から０．１μｍの厚さに傾斜させて
設け、この上に８８ｗｔ％Ｎｉ−Ｆｅ合金層２２をスパ
ッタ法によって６μｍの厚さで付着させ、成膜温度を３
時間保持させて拡散を行わせた。この磁歪膜の組成は、
Ｎｉ層の膜厚さが０．１μｍであった側の端部は９０Ｎ
ｉ−Ｆｅになっており、他方の端部は８８Ｎｉ−Ｆｅで
あった。なお、他方の磁歪膜２ｐを形成させる部分に
は、８８ｗｔ％Ｎｉ−Ｆｅ合金をスパッタ法によって６
μｍの厚さに付着させた。この歪伝達部材の前記一方の
磁歪膜２ｎに第１検出器３を、他方の磁歪膜２ｐに第２
検出器４を対向させた。第１検出器３および第２検出器
４は、いずれも２００ターンの励磁コイルと４００ター
ンの検出コイルをそなえ、３％Ｓｉ−Ｆｅの材質からな
る幅１０ｍｍの凹字状ヨークに収納してある。この構成
による磁歪式歪トルクセンサーの第２検出器４を磁歪膜
２ｐの中央位置に固定した状態で、第１検出器３をヨー
ク端と磁歪膜の端との距離ｇが０ｍｍから４ｍｍの範囲
で移動させ、歪伝達部材にトルク±５ｋｇｆｍを加えた
ときのトルク−出力特性を測定し、温度を２０℃〜６０
℃の範囲で変動させて温度特性を測定した。その結果は
表８のとおりであった。

【表８】 この表８から、ヨーク端と磁歪膜端間の距離ｇが２ｍｍ
のときに温度特性が最も小さくなっており、ヨークの移
動による非直線性やヒステリシスに変化は見られなかっ
た。なお、磁歪膜２ｎ、２ｐの両方の組成を変化させ、
一方の検出器を適当な対向位置に固定させ、他方の検出
器を移動調整させても同様な効果が得られ、固定側の位
置により、温度ドリフトが小さくなるときの他方の検出
器の調整位置ｇが変わってくる。

【００１６】（実施例９）図９は別の歪伝達部材を用い
た実施例を示すもので、歪伝達部材１０は磁歪をそなえ
たマルエージング鋼からなる直径２７ｍｍの軸で、その
表面の軸方向の長さ２０ｍｍの部分に、この部分の一方
端から他方端に向かって、深さ０．５ｍｍ、幅３ｍｍの
溝２３を平行に複数個設けている。３は溝２３を囲む第
１検出器で、２００ターンの第１励磁コイル３１と、４
００ターンの第１検出コイル３２をそなえ、コイルの外
側に歪伝達部材１に面する側を開口させた除いて断面が
凹字状に形成された３％Ｓｉ−Ｆｅの材質からなる幅２
０ｍｍのヨーク３３をそなえている。４ａは歪伝達部材
１の溝のない部分に対向させた第２検出器で、２００タ
ーンの第２励磁コイル４１、４００ターンの第２検出コ
イル４２および３％Ｓｉ−Ｆｅの材質からなる幅２０ｍ
ｍの閉磁路のヨーク４３ａを設けている。この構成の磁
歪式歪センサーの第２検出器４ａを固定し、第１検出器
３のヨーク３３の端と溝２３の端との距離ｇが０の位置
から第２検出器に近づく方へ移動させて温度特性を調べ
た。歪伝達部材１に加わる張力が０の時と、３０００ｋ
ｇの張力を加えた時について張力−出力特性を測定し、
温度を２０℃〜６０℃の範囲で変動させて、第１検出器
の各位置における温度ドリフトを調べた結果を表９に示
す。

【表９】 この結果から、検出器３のヨーク端と溝２３の端との距
離ｇが、１．５ｍｍのときに温度ドリフトが０．５％と
極めて小さくなっている。なお、ヨーク初期位置の時に
比べて非直線性やヒステリシスに変化は見られなかっ
た。なお、第１検出器３を第２検出器から遠ざかる方向
に移動させた場合や。歪伝達部材に圧縮力が加わった場
合も同様な効果が得られる。

【００１７】（実施例１０）図１０は磁歪式トルクセン
サーにおける別の実施例を示すもので、磁歪をそなえた
マルエージング鋼からなる直径２７ｍｍの棒状の歪伝達
部材１０の表面に適当な間隔でシェブロン状に刻んだ深
さ０．５ｍｍ、軸方向幅２０ｍｍの溝２３ａ、２３ｂを
形成している。第１検出器３および第２検出器４は、そ
れぞれ２００ターンの励磁コイル３１、４１と、４００
ターンの検出コイル３２、４２をそなえ、３％Ｓｉ−Ｆ
ｅの材質からなるヨーク３３、４３に収納しており、ヨ
ークの幅は１０ｍｍにしてある。このように構成した磁
歪式トルクセンサーの第２検出器４を溝２３ｂに対向さ
せた位置に固定して、第１検出器３を第２検出器４の方
へ近づけるように、ヨーク３３の端と溝２３ａの端との
距離ｇが０〜２ｍｍの範囲で移動させ、歪伝達部材１に
±５ｋｇｆｍのトルクを加えた時について検出器の出力
を測定し、温度を２０℃〜６０℃の範囲で変動させて、
温度特性を測定した。その結果を表１０に示す。

【表１０】 この結果から、検出器端とシェブロン状溝端との距離ｇ
が０．５ｍｍのときに温度ドリフトが０．５％と極めて
小さくなっていることがわかる。また、ヨーク初期位置
の時に比べ、非直線性やヒステリシスに変化は見られな
かった。また、第１検出器を第２検出器から遠ざかる方
向に移動させても、同様な結果が得られた。なお、シェ
ブロン状溝の形状や軸の材質の変更により磁気特性が変
わり、各検出電圧の温度に対する変動率が逆転した場合
でも、シェブロン状溝２４の周囲に設けた第２検出器の
位置を調節すれば同様な効果が得られた。なお、検出器
のヨーク幅は実施例に限られるものではなく、第１検出
器３を固定して第２検出器４を移動するようにしてもよ
い。

【００１８】なお、図示していないが、実施例９や実施
例１０における溝部分２３、２３ａ、２３ｂの深さや透
磁率あるいは組成を、実施例４、実施例６あるいは実施
例７のように、軸方向に次第に変化させて透磁率を変え
た磁歪式センサーにおいても同様に検出器位置を調整す
ることによって、温度ドリフトを低減させる効果が得ら
れる。

【００１９】（実施例１１）図１および図２には、検出
器の位置を調整するための移動手段として、伝達部材１
と平行に設けた複数本の支持棒５に検出器３、４の支持
片３４、４４を摺動自由に挿通させ、止めねじ６で所定
の位置に固定させるようにした実施例が示されている
が、前記支持棒５をねじ棒で構成して、一方の支持棒は
検出器３に螺合させて検出器４とは摺動するようにし、
他方の支持棒は検出器３を摺動自由に挿通して検出器４
と螺合させることにより、それぞれの支持棒の回転によ
り螺合する検出器の位置を調整できる。

【００２０】（実施例１２）検出器を歪伝達部材の軸方
向に移動させる手段の他の実施例として、図３には固定
部に支持され検出器３、４を囲むガイドケース７の内周
面にねじ７１を設け、第１検出器３と第２検出器４をそ
れぞれ支持する環状の支持片３４、４４の外周面にねじ
３５、４５を設けて前記ガイドケース７のねじ７１に螺
合させ、支持片３４または４４を回動させることによっ
て、検出器３または４を回動させて磁歪膜２ｂ、２ｃと
の対向位置を調整するようにした移動装置が示されてい
るが、図１１は別の実施例を示すもので、図３と同様の
トルクセンサーに適用した場合を示しており、第１検出
器３、第２検出器４を支持する支持片を省いている。第
１検出器３および第２検出器４のヨーク３３、４３の外
周にねじを設け、図示されていない固定部に支持された
ガイドケース７の内周面のねじ７１にそれぞれ螺合させ
て、螺合位置によって歪伝達部材１の磁歪膜２ｑ、２ｒ
に対向させている。したがって、検出器を回動させるこ
とにより磁歪膜との対向位置を調整させることができ、
たとえば一方の第２検出器４を磁歪膜２ｒの位置に固定
させた状態で、他方の第１検出器３を図示しない治具な
どにより回動させることによって、第２検出器４を移動
させ、磁歪膜２ｑとの対向位置を調整させる。

【００２１】（実施例１３）また図１２に示す移動手段
は、第２検出器４が歪伝達部材１の磁歪膜を有しない部
分のみに対向する場合に適用できる実施例を示すもの
で、ガイドケース８の内側に第１検出器３および第２検
出器４を所定の間隔で固定させて取り付け、歪伝達部材
１に取り付けたガイド９の外周面のねじに、ガイドケー
ス８の両端部分のねじを螺合させ、ガイドケース８を回
転させることによって第１検出器３と磁歪膜２との対向
位置を調整させることができる。

【００２２】なお、図１、３、１１に示された移動手段
は、前述の実施例に示すような各種の磁歪膜または溝を
設けた磁歪式センサーのいずれにも適用でき、図１２の
移動手段は、磁歪膜を１か所に設けた磁歪式センサーに
適用することができる。

【００２３】

【発明の効果】このように本発明によれば、歪伝達部材
の周囲に設けた検出器のうち少なくとも１個を、温度ド
リフトが小さくなる位置に調整して設置するようにして
おり、このため、前記検出器を磁歪膜との対向面が歪伝
達部材の磁歪膜を有する部分と磁歪膜を有しない部分に
またがる位置に設置し、あるいは磁歪膜の厚さや透磁率
あるいは組成を軸方向に次第に変化させて調整位置を選
択させ、透磁率の変化を調整するようにしており、各検
出電圧の温度特性が改善され、製造時に磁歪膜の厚さや
パターン形状がばらついていても、差動後の温度ドリフ
トを極めて小さくし、歪センサーの精度を向上させ得る
効果がある。また、磁歪膜に替えて、磁歪を有する歪伝
達部材に溝を設けた磁歪式センサーにおいても同様の効
果を得ることができる。なお、検出器を支持して、少な
くとも１個の検出器の位置を軸方向に調整する移動手段
をそなえることにより、検出器の歪伝達部材の磁歪膜と
の対向位置を確実容易に調整して温度ドリフトが小さく
なるようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をそなえた張力センサーの実施例を示す
構成図である。

【図２】別の磁歪膜をそなえた張力センサーの実施例を
示す構成図である。

【図３】トルクセンサーとして構成した実施例を示す構
成図である。

【図４】磁歪膜の厚さを過大に示した張力センサーの概
略構成図である。

【図５】磁歪膜の厚さを過大に示したトルクセンサーの
概略構成図である。

【図６】磁歪膜の透磁率を変化させる装置の実施例を示
す概略図である。

【図７】磁歪膜の組成を変化させるための膜の構成を示
した実施例で、磁歪膜を過大に示し一部を断面にしてい
る。

【図８】磁歪膜の組成を変化させたトルクセンサーの構
成を示す実施例で、磁歪膜を過大に示し、一部を磁歪膜
の傾斜方向の断面にしてある。

【図９】異なる張力センサーに適用する例を示す実施例
で、一部を溝の傾斜方向の断面にしてある。

【図１０】異なるトルクセンサーに適用する例を示す実
施例の概略構成図である。

【図１１】他の移動手段をそなえたトルクセンサーの実
施例を示す構成図である。

【図１２】さらに別の移動手段をそなえた張力センサー
の実施例を示す構成図である。

【図１３】従来の磁歪式張力センサーの構成を示す説明
図である。

【図１４】パターン形状に差が有る場合と無い場合のセ
ンサー温度と検出電圧の関係を示す特性曲線図である。

【符号の説明】

１、１０ 歪伝達部材 ２ 磁歪膜 ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ 磁歪膜 ２ｈ、２ｋ、２ｎ、２ｐ、２ｑ、２ｒ 磁歪膜 ２０ スリット ２１ Ｎｉ層 ２２ Ｎｉ−Ｆｅ層 ２３、２３ａ、２３ｂ 溝 ３ 第１検出器 ３１ 第１励磁コイル ３２ 第１検出コイル ３３ ヨーク ３４ 支持片 ４、４ａ 第２検出器 ４１ 第２励磁コイル ４２ 第２検出コイル ４３、４３ａ ヨーク ４４ 支持片 ５ 支持棒 ６ 止めねじ ７、８ ガイドケース ９ ガイド １１ 治具 １２ ヒーター ７１ ねじ

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面の少なくとも一部に磁歪膜を有する
   歪伝達部材と、励磁コイルと検出コイルをそなえて歪伝
   達部材を囲む少なくとも２個の検出器とを設け、前記検
   出器の少なくとも１個を前記磁歪膜に対向させ、前記磁
   歪膜と対向する少なくとも１個の検出器を、温度ドリフ
   トが小さくなる位置に調整して、歪伝達部材に加わる歪
   の値を、検出器のインピーダンス変化として検出するこ
   とを特徴とする磁歪式歪センサー。
2. 【請求項２】 前記磁歪膜と対向する少なくとも１個の
   検出器を、歪伝達部材の磁歪膜を有する部分と磁歪膜を
   有しない部分にまたがって、温度ドリフトが小さくなる
   位置に調整して設置させる請求項１の磁歪式歪センサ
   ー。
3. 【請求項３】 前記検出器の少なくとも１個が、軸方向
   に移動させる手段をそなえ、前記手段により磁歪膜との
   対向位置を、温度ドリフトを小さくする位置に調整して
   設置させる請求項１または２の磁歪式歪センサー。
4. 【請求項４】 前記磁歪膜が、歪伝達部材の表面を囲ん
   で帯状に形成され、この磁歪膜を囲む検出器を設け、少
   なくとも前記検出器の１個を、磁歪膜に対して温度ドリ
   フトが小さくなる位置に調整して設置させる請求項１ま
   たは２または３の磁歪式歪センサー。
5. 【請求項５】 前記磁歪膜が、歪伝達部材の表面を囲ん
   で帯状に形成され、その一方の端縁から他方の端縁に向
   かう複数個の平行なスリットをそなえ、この磁歪膜を囲
   む検出器を設け、少なくとも前記検出器の１個を、磁歪
   膜に対して温度ドリフトが小さくなる位置に調整して設
   置させる請求項１または２または３の磁歪式歪センサ
   ー。
6. 【請求項６】 前記磁歪膜が歪伝達部材の表面を囲んで
   シェブロン状に形成され、この磁歪膜を囲む検出器を設
   け、少なくとも前記検出器の１個を、磁歪膜に対して温
   度ドリフトが小さくなる位置に調整して設置させる請求
   項１または２または３の磁歪式歪センサー。
7. 【請求項７】 前記歪伝達部材に設けた少なくとも１つ
   の磁歪膜の厚さを、歪伝達部材の軸方向に次第に変化さ
   せ、この磁歪膜に対向して設けた検出器を、温度ドリフ
   トが小さくなる位置に調整して設置させる請求項１ない
   し６のいずれかの磁歪式歪センサー。
8. 【請求項８】 前記歪伝達部材に設けた少なくとも１つ
   の磁歪膜の透磁率の大きさを、歪伝達部材の軸方向に次
   第に変化させ、この磁歪膜に対向して設けた検出器を、
   温度ドリフトが小さくなる位置に調整して設置さる請求
   項１ないし６のいずれかの磁歪式歪センサー。
9. 【請求項９】 前記歪伝達部材に設けた少なくとも１つ
   の磁歪膜の組成を、歪伝達部材の軸方向に次第に変化さ
   せ、この磁歪膜に対向して設けた検出器を、温度ドリフ
   トが小さくなる位置に調整して設置させる請求項１ない
   し６のいずれかの磁歪式歪センサー。
10. 【請求項１０】 磁歪を有する材料で構成された歪伝達
    部材の表面の少なくとも一部に、その部分の軸方向に一
    方端から他方端に向かう複数個の平行な溝を設け、励磁
    コイルと検出コイルをそなえて歪伝達部材を囲む少なく
    とも２個の検出器をそなえ、前記検出器の少なくとも１
    個を前記溝に対向させ、前記溝に対向する少なくとも１
    個の検出器を、温度ドリフトが小さくなる位置に調整し
    て、歪伝達部材に加わる歪の値を、検出器のインピーダ
    ンス変化として検出することを特徴とする磁歪式歪セン
    サー。
11. 【請求項１１】 前記溝と対向する少なくとも１個の検
    出器を、溝との対向面が歪伝達部材の溝を設けた部分と
    溝を有しない部分にまたがって、温度ドリフトが小さく
    なる位置に調整して設置させる請求項１０の磁歪式歪セ
    ンサー。
12. 【請求項１２】 前記検出器の少なくとも１個が、軸方
    向に移動させる手段をそなえ、前記手段により溝との対
    向位置を、温度ドリフトを小さくする位置に調整して設
    置させる請求項１０または１１の磁歪式歪センサー。
13. 【請求項１３】 前記溝が歪伝達部材の表面を囲んでシ
    ェブロン状に形成され、この溝を囲む検出器を設け、前
    記検出器の少なくとも１個を、温度ドリフトが小さくな
    る位置に調整して設置させる請求項１０または１１また
    は１２の磁歪式歪センサー。
14. 【請求項１４】 前記歪伝達部材に設けた溝の深さを、
    歪伝達部材の軸方向に次第に変化させ、この溝に対向さ
    せた検出器の少なくとも１個を、温度ドリフトが小さく
    なる位置に調整して設置させる請求項１０ないし１３の
    いずれかの磁歪式歪センサー。
15. 【請求項１５】 前記歪伝達部材の溝を設けた部分の透
    磁率を、軸方向に次第に変化させ、この溝を囲む検出器
    を設け、前記検出器の少なくとも１個を、温度ドリフト
    が小さくなる位置に調整して設置させるている請求項１
    ０または１１または１２の磁歪式歪センサー。
16. 【請求項１６】 前記歪伝達部材の溝を設けた部分の組
    成を、軸方向に次第に変化させ、この溝を囲む検出器を
    設け、前記検出器の少なくとも１個を、温度ドリフトが
    小さくなる位置に調整して設置させるている請求項１０
    または１１または１２の磁歪式歪センサー。
17. 【請求項１７】 前記検出器を軸方向に移動させる手段
    が、歪伝達部材と平行に支持棒を設け、各検出器を前記
    支持棒に摺動可能に支持させ、それぞれの検出器の軸方
    向位置を調整して固定させるようにした請求項３または
    １２の磁歪式歪センサー。
18. 【請求項１８】 前記検出器を軸方向に移動させる手段
    が、検出器の外側を囲むガイドケースをそなえ、ガイド
    ケースの内周面と検出器の外周部にねじを設けて螺合さ
    せ、検出器を回転させて検出器の軸方向位置を調整する
    ようにした請求項３または１２の磁歪式歪センサー。
19. 【請求項１９】 前記検出器を軸方向に移動させる手段
    が、検出器の外側を囲むガイドケースをそなえ、各検出
    器を外周面で前記ガイドケースに取り付け、ガイドケー
    スの両端部の内周面と、歪伝達部材に取り付けたガイド
    の外周面にねじを設けて螺合させ、ガイドケースを回転
    させて検出器の軸方向位置を調整するようにした請求項
    ３または１２の磁歪式歪センサー。