JPH09228007A - 高強度磁歪合金、センサーコアおよびそれを用いた荷重センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】塑性変形を起こすおそれが少ない高強度磁歪合
金と、その合金を使用して構成され、過大な荷重が作用
した場合においても測定精度の低下が少ないセンサーコ
アおよび荷重センサーとを提供する。 【解決手段】Ｃｏを２０〜８０重量％と、Ｖを０〜４重
量％と、Ｃを０．０１〜１重量％と、Ａｌ，Ｓｉ，Ｇ
ａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｍｎ，
ＮｉおよびＣｕから選択される少なくとも１種を０．１
〜２０重量％とを含み、残部が実質的にＦｅから成るこ
とを特徴とする。また上記高強度磁歪合金をセンサーコ
ア材として使用して本発明のセンサーコアおよび荷重セ
ンサーが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高強度磁歪合金、セ
ンサーコアおよびそれを用いた荷重センサーに係り、特
に塑性変形を起こすおそれが少なく、荷重センサー用コ
ア材として使用した場合に過荷重による測定精度の低下
が少ない高強度磁歪合金、その合金を用いたセンサーコ
ア、およびそれを用いた荷重センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】車輌や金属加工装置などにおいて、荷重
や振動を検出測定するために種々の型式の荷重センサー
が使用されている。特に、比較的に大きな荷重計測用の
センサーとして、磁気歪み合金（磁歪合金）をセンサー
コアとして使用した荷重センサーが広く使用されてい
る。この荷重センサーは、センサーコアに負荷された荷
重によって生じる機械的な歪みを磁気特性の変化として
コイルなどで検出し、その変化量の大小から荷重の大き
さを検出している。

【０００３】従来、上記センサーコアを形成する磁歪合
金としては、特に測定感度を高めるために磁気歪みが大
きいＣｏ−Ｆｅ系二元合金やＣｏ−Ｖ−Ｆｅ系３元合金
などが主として採用され、とりわけ４９％Ｃｏ−２％Ｖ
−Ｆｅ系高磁歪合金材が広く使用されていた。上記高磁
歪合金によれば小さな歪みに対しても磁気特性の変化が
大きいために、荷重測定の際の感度を高く維持できる利
点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の高磁性歪合金は比較的に強度が低いため、異常時に
過大な荷重が作用した場合には塑性変形を起こし、以後
の荷重測定の精度が大幅に低下してしまう問題点があっ
た。すなわち検出すべき荷重が大きくなると磁気歪み合
金が塑性変形を起こし、磁気特性の可逆的変化が困難に
なる結果、磁気特性の変化量と荷重との関係の直線性が
得られず、いずれにしても荷重測定精度が低下してしま
う問題点があった。

【０００５】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、塑性変形を起こすおそれが少ない高強
度磁歪合金と、その合金を使用して構成され、過大な荷
重が作用した場合においても測定精度の低下が少ないセ
ンサーコアとそのコアを用いた荷重センサーとを提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願発明者らは従来のＣｏ−Ｆｅ系合金材に種々の
元素を添加して磁歪合金を調製し、添加した元素の種類
および添加量が磁歪合金の硬度（強度），磁気特性に及
ぼす影響について実験により比較研究した。その結果、
特に従来のＣｏ−Ｆｅ系合金材に炭素（Ｃ）やＡｌ，Ｓ
ｉ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｍｏなどの成分を所定量だけ複合的に
添加配合したときに、軟磁気特性や大きな磁気歪み特性
を損うことなく、強度が大幅に改善された高強度磁歪合
金が初めて得られた。また、この合金を使用してセンサ
ーコアを形成したときに、過荷重による測定精度の低下
が少ない高精度な荷重センサーが初めて得られるという
知見を得た。本発明は、これらの知見に基づいて完成さ
れたものである。

【０００７】すなわち、本発明に係る第１の高強度磁歪
合金は、Ｃｏを２０〜８０重量％と、Ｃを０．０１〜１
重量％と、Ａｌ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，
Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｍｎ，ＮｉおよびＣｕから選択され
る少なくとも１種を０．１〜２０重量％とを含み、残部
が実質的にＦｅから成ることを特徴とする。

【０００８】また本発明に係る第２の高強度磁歪合金
は、Ｃｏを２０〜８０重量％と、Ｖを４重量％以下と、
Ｃを０．０１〜１重量％と、Ａｌ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｃｒ，
Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｍｎ，Ｎｉおよび
Ｃｕから選択される少なくとも１種を０．１〜２０重量
％とを含み、残部が実質的にＦｅから成ることを特徴と
する。また、ビッカース硬度（Ｈｖ０．５）が２３０以
上であるとよい。

【０００９】さらに、本発明に係るセンサーコアは、上
記第１または第２の高強度磁歪合金から成ることを特徴
とする。

【００１０】さらに本発明に係る荷重センサーは、上記
第１または第２の高強度磁歪合金からから成るセンサー
コアと、センサーコアに巻回されたコイルと、センサー
コアに荷重が負荷されたときに変化するコイルのインピ
ーダンス変化量を測定する測定回路とを備えることを特
徴とする。

【００１１】上記第１および第２の高強度磁歪合金にお
いて、コバルト（Ｃｏ）は２０〜８０重量％の含有範囲
にて大きな磁気歪みを与える作用を有する。上記含有範
囲外では磁気歪みが小さいため、荷重センサー用コア材
として使用した場合の測定感度が低下してしまう。その
ため、Ｃｏの含有量は２０〜８０重量％の範囲に設定さ
れるが、３０〜７０重量％の範囲が好ましく、さらに４
０〜６０重量％の範囲がさらに好ましい。

【００１２】バナジウム（Ｖ）は合金材の電気抵抗を高
めるとともに加工性を改善するために４重量％以下の割
合で添加される。合金材の電気抵抗を高めることによ
り、センサーコアの２次側に配設したコイルの出力電圧
を大きくすることができ、荷重センサーの検出感度を高
めることができる。またＶ添加により加工性が改善され
るため、特にセンサーコアを鋳造材から機械加工して形
成する場合に、荷重センサーの加工作業が容易になる。
一方、センサーコアを粉末冶金法で形成する場合には加
工代が少ないため、Ｖの添加を要しない場合がある。

【００１３】Ｖの添加量が４重量％を超える過量となる
と、合金材の軟磁気特性が劣化し荷重センサーとしての
出力が低下してしまう。そのため、Ｖの添加量は４重量
％以下に設定されるが、０．５〜３．５重量％の範囲が
好ましく、さらに１．５〜２．５重量％の範囲がさらに
好ましい。

【００１４】炭素（Ｃ）は合金の硬度を高め強度を増加
させるために、０．０１〜１重量％の範囲で添加され
る。添加量が０．０１重量％未満の場合には、上記強度
改善効果が不十分であり、センサーコア材として使用し
た場合に塑性変形を起こし易く、反復再現性が良好で高
精度の荷重測定が困難になる。一方、添加量が１重量％
を超えるように過大になると、合金材の軟磁気特性が悪
化し、センサーとしての出力が低下する。したがってＣ
の添加量は０．０１〜１重量％の範囲に設定されるが、
０．０３〜０．５重量％の範囲が、より好ましい。

【００１５】アルミニウム（Ａｌ），けい素（Ｓｉ），
ガリウム（Ｇａ），クロム（Ｃｒ），モリブデン（Ｍ
ｏ），タングステン（Ｗ），チタン（Ｔｉ），ニオブ
（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），ジルコニウム（Ｚｒ），
マンガン（Ｍｎ），ニッケル（Ｎｉ）および銅（Ｃｕ）
は、いずれもＣと同様に合金材の強度を高める作用を有
し、これらの少なくとも１種の元素成分が総量で０．１
〜２０重量％の範囲で添加される。これらの元素の添加
量が０．１重量％未満となる過少な場合には、合金材の
強度を改善する効果が不十分である。一方、添加量が２
０重量％を超えるように過多になると、合金の軟磁気特
性が悪化してセンサーとしての出力が低下してしまう。
そのため、Ａｌ等の元素の添加量は、０．１〜２０重量
％の範囲に設定されるが、１〜１８重量％の範囲がより
好ましい。

【００１６】上記高強度磁歪合金は、各合金成分を所定
割合で融解せしめて鋳造したり、各合金成分を含む粉末
を所定割合で混合した原料混合粉末を粉末冶金法に従っ
て処理して焼結体として形成したりして製造することが
できる。

【００１７】上記高強度磁歪合金を所定形状に加工して
形成したセンサーコアにコイルを巻回するとともに、コ
イルのインピーダンス変化量を測定する測定回路を付設
して本願発明に係る荷重センサーが製造される。測定回
路としては汎用のブリッジ等が使用される。

【００１８】本発明の荷重センサーにおいて、センサー
コアに荷重が付加されると、センサーコアの透磁率が変
化するので、センサーコアの内部に形成される磁気回路
の磁気抵抗が変化する。したがって、センサーコアに巻
回したコイルのインピーダンスが変化し、この変化量は
正負弁別ブリッジなどの測定回路で検出され、検出値に
一次比例する荷重を、校正曲線から読み取ることができ
る。

【００１９】上記構成に係る高強度磁歪合金、この合金
から成るセンサーコアおよびそれをを用いた荷重センサ
ーによれば、従来のＣｏ−Ｆｅ系合金材にＣやＡｌなど
の成分を添加することにより、軟磁気特性や大きな磁気
歪み特性を損うことなく、強度が大幅に改善された磁歪
合金が得られる。したがって、この磁歪合金をセンサー
コア材として使用してセンサーコアとした場合におい
て、過荷重が作用した場合においてもセンサーコアの塑
性変形が起こらず、測定精度の低下が少ない荷重センサ
ーが容易に得られる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態につい
て、以下の実施例に基づいて、より具体的に説明する。

【００２１】実施例１〜３５および比較例１〜７ 表１に示す合金組成となるように各成分を所定比率で配
合し真空溶解にて溶解した後に、得られた溶湯を鋳込
み、各組成を有する鋳造材を調製した。次に各鋳造材を
熱間加工した後に切削加工して一辺の長さが５mmの立方
体形状のセンサー部品とした。さらに各センサー部品の
側面中央部に直径３mmの透孔を穿設し、しかる後に、各
センサー部品を温度８５０℃で１時間加熱する磁性焼鈍
熱処理を実施することにより、実施例１〜３５用および
比較例１〜７用のセンサーコアをそれぞれ製造した。

【００２２】こうして調製した各実施例および比較例に
係るセンサーコアの透孔に導線を３０回巻回してコイル
を形成して各荷重センサーとし、このセンサーの１ＫＨ
ｚにおけるインダクタンス（Ｌ１）を測定した。さらに
過荷重による測定精度の低下割合（劣化率）を評価する
ために、各センサーコア部に２０kg／mm² の荷重（全荷
重として５００kg）を１分間負荷させた後に荷重を取り
除き、荷重負荷前と同一条件においてインダクタンス
（Ｌ２）を測定するとともに、過荷重の負荷前後におけ
るインダクタンスの劣化率（Ｌ２／Ｌ１）を算出した。
また各合金材の強度を評価するために、各合金材表面に
５００ｇの加圧力で圧子を押し付けてビッカース硬度
（Ｈｖ０．５）を測定した。測定算出結果を下記表１お
よび表２に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】上記表１および表２に示す結果から明らか
なように、従来のＣｏ−Ｆｅ系合金に、さらにＣやＡ
ｌ，Ｓｉ，Ｎｉ等を複合的に添加して形成した各実施例
に係る磁歪合金は、各比較例に示す従来材と比較して硬
度が高く強度も優れている。そのため、これらの磁歪合
金をセンサーコアとして使用した場合に、過荷重が負荷
された場合においても、コア材に塑性変形が起こらずイ
ンダクタンスの変化（劣化率）が２％以下と少ない。し
たがって、過荷重による測定精度の低下が少なく、反復
再現性が良好で高い信頼性を備えた荷重センサーが得ら
れることが判明した。

【００２６】一方、Ｃｏ成分が１８重量％と過少なＣｏ
−Ｆｅ二元合金で形成した比較例１に係る荷重センサー
においては、硬度が不十分であり、インダクタンスの劣
化率が１１％以上になっており、荷重検出精度や再現性
に難点があるとともに、インダクタンス自体も小さいた
め、検出感度も低下してしまうことが判明した。

【００２７】また、Ｃ，Ａｌ，Ｓｉ等の強度改善成分を
添加していない比較例２，４においては、強度が不十分
であり、インダクタンス自体は大きく検出感度は良好で
あるが、インダクタンスの劣化率が７〜８％と大きく繰
り返しの検出精度には難点がある。さらにＣを１．２重
量％と過量に添加した比較例３においては、硬度は十分
であるが、インダクタンス自体が小さいため検出感度が
低下することが確認された。

【００２８】同様に、ＡｌやＳｉ成分等を過量に添加し
た比較例５，６においては、硬度は極めて高くなるが、
インダクタンスが小さいため、検出感度が低下すること
が判明した。一方、Ｃｏ成分を８２重量％と過量に添加
した比較例７においては、硬さおよびインダクタンスの
双方に難点があり、インダクタンスの劣化率も１５％以
上となり、荷重センサー用コア材として実用性に乏しい
ことが判明した。

【００２９】

【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る高強度磁歪
合金、センサーコアおよびそれを用いた荷重センサーに
よれば、従来のＣｏ−Ｆｅ系合金材にＣやＡｌなどの成
分を添加することにより、軟磁気特性や大きな磁気歪み
特性を損うことなく、強度が大幅に改善された磁歪合金
が得られる。したがって、この磁歪合金をセンサーコア
として使用して荷重センサーとした場合において、過荷
重が作用した場合においてもセンサーコアの塑性変形が
起こらず、測定精度の低下が少ない荷重センサーが容易
に得られる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 41/20 Ｈ０１Ｌ 41/20 (72)発明者 平間 直道 神奈川県川崎市川崎区日進町７番地１ 東 芝電子エンジニアリング株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｏを２０〜８０重量％と、Ｃを０．０
   １〜１重量％と、Ａｌ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，
   Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｍｎ，ＮｉおよびＣｕから選
   択される少なくとも１種を０．１〜２０重量％とを含
   み、残部が実質的にＦｅから成ることを特徴とする高強
   度磁歪合金。
2. 【請求項２】 Ｃｏを２０〜８０重量％と、Ｖを４重量
   ％以下と、Ｃを０．０１〜１重量％と、Ａｌ，Ｓｉ，Ｇ
   ａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｍｎ，
   ＮｉおよびＣｕから選択される少なくとも１種を０．１
   〜２０重量％とを含み、残部が実質的にＦｅから成るこ
   とを特徴とする高強度磁歪合金。
3. 【請求項３】 ビッカース硬度（Ｈｖ０．５）が２３０
   以上であることを特徴とする請求項１または２記載の高
   強度磁歪合金。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載の高強度磁歪合金
   から成ることを特徴とするセンサーコア。
5. 【請求項５】 請求項１または２記載の高強度磁歪合金
   から成るセンサーコアと、センサーコアに巻回されたコ
   イルと、センサーコアに荷重が負荷されたときに変化す
   るコイルのインピーダンス変化量を測定する測定回路と
   を備えることを特徴とする荷重センサー。