JPH1038710A - 応力検出体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】磁歪検出材と母材との剥離を防止することによ
り、耐久性が確保でき特性の良い磁歪検出材を採用した
応力検出体を提供する。 【解決手段】母材１である軸１の円周表面２箇所に磁歪
検出材６が形成してあり、この磁歪検出材６には軸心に
対して斜め４５度に溝加工が施されている。７は励磁コ
イル、８は検出コイルである。軸１と磁歪検出材６との
界面２の部分は意識的に最大表面粗さを持つようにする
事により、界面２に生ずる剪断力に対して、軸１と磁歪
検出材６との関係において、単なる密着力だけでは無
く、機械的な結合も生じて接合力が増し、繰り返し応力
負荷における耐久性の確保、磁歪検出材６の母材１から
の剥離の防止に多大な効果を発揮する。母材１である軸
１はＳ４５Ｃ、界面２にはサンドブラストを用いて最大
表面粗さの面に仕上げ、その上に磁歪検出材６としてパ
ーマロイを湿式めっきにて形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、応力（トルク、引
張り力、圧縮力、摩擦力等）を測定するために、逆磁歪
現象を利用する、繰り返し荷重下に対する耐久性の高い
応力検出体に関する。

【０００２】

【従来の技術】応力（トルク、引張り力、圧縮力、摩擦
力等）の検出体としては、種々のものが開発されて来て
いるが、このような検出体の一方式として、逆磁歪現象
を利用してトルクを測定する検出体（以下、磁歪式トル
クセンサと呼ぶ）として、特開平５−１３３８２３号公
報に提案が為されている。

【０００３】この提案の磁歪式トルクセンサを図２に示
す。図示されるように、軸３１に捩りトルクが負荷され
ると、その軸３１の表面に軸心に対して斜め４５度に最
大引張り応力と最大圧縮応力とが発生する。このため、
磁気異方性部３２を図中のように形式し、この磁気異方
性部３２における逆磁歪効果による透磁率変化を基にし
て、励磁コイル３５と検出コイル３６との相互インダク
タンスの変化分から軸３１に負荷されたトルクを検出し
ている。なお、図中の符号３３はハウジングである。

【０００４】磁気異方性部３２の形成は、その異方性の
向きのコントロールが行ない易い事から、軸３１の表面
に図２のように溝加工を施す事が多い。トルクによる引
張り応力、圧縮応力は軸３１の表面において最も大きく
なり、また、深い溝加工を行なう事は軸の強度低下を招
く事から、磁束を軸の表面近傍に集中させる狙いで「表
皮効果」を利用することが多い。このため、励磁コイル
３５に流す電流の交流周波数は高周波である事が多い。

【０００５】さて、軸３１の母材は強度の点や、製造費
用の点から鋼を採用する事が多いが、鋼は磁気歪定数も
低く、また基本的な透磁率の値も他の特定の合金などに
比較すると劣っている。このため、むやみに励磁コイル
３５の交流周波数を上げると、磁気異方性部３２におい
て、小さめの透磁率がさらに減少していき、軸３１の軸
心方向に漏れ磁束が多くなっていき、励磁コイル３５と
検出コイル３６との相互インダクタンスの変化割合が小
さくなってしまい、つまるところセンサ感度が低下して
しまう。

【０００６】そこで、次に示すようなものが提案されて
いる。図３に、特開平５−２３１９６７号公報における
提案の概要図を示す。これは、回転軸５１の母材によ
り、高周波に対する磁気特性が優れた、また磁気歪定数
の大きな異種金属５３などを回転軸５１の表面に形成す
ることにより、センサ特性を向上させようというもので
ある。なお、図中の符号５２は磁場の励磁および透磁率
変化を検出するコイルである。

【０００７】この構造を応用した提案としては、特開平
４−１５５２３２号公報に示すように、軸の表面に中間
層としてニッケル膜をメッキにより形成し、その表面に
パーマロイ層をやはりメッキにより形成し、その後熱処
理することにより、接着剤を用いる事無く軸の表面に磁
歪検出材を形成した磁歪式トルクセンサの製法も知られ
ている。

【０００８】さらに、特開昭６２−１８４３２３号公
報、特開平４−３４６０４３号公報、特開平５−５２６
７８号公報には、このような磁歪検出材をプラズマ溶射
法などの溶射法により軸表面に形成することが開示され
ている。上記特開平４−３４６０４３号公報には、パー
マロイ（Ｎｉ−Ｆｅ）層をプラズマ溶射法により形成し
た後、さらに無酸化雰囲気中にて９００〜１１００℃で
加熱拡散処理を行なう事が開示されている。

【０００９】また、特公昭６３−２００３１号公報に
は、この検出層の磁歪材料として、パーマロイ（Ｎｉ−
Ｆｅ合金）、センダスト（Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金）、Ｆ
ｅ−Ｓｉ合金などの軟質磁性材料に代えて、Ｃｏ−Ｆｅ
−Ｍ−Ｓｉ−Ｂ（但し、Ｍ＝Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
ｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｉｒ、
Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉ
ｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｙ、希土類金属の
うちから選ばれた少なくとも一種）の組成により成る非
晶質合金を用いる事が提案されている。

【００１０】これらの磁歪検出材を形成するにはいろい
ろな方法があり、例えば、軸の表面に非晶質合金等の磁
歪材料の箔を螺旋状に接着したもの（特開昭６０−４２
６２８号公報）或いは、湿式めっき法（特開昭６２−２
０６４２１号公報）などがある。

【００１１】しかし、これらの形成方法に関して、接着
剤やろう材で磁歪検出材となる箔を接着したものは、特
に繰り返し応力下での耐久性の面で改善の余地がある。
また、スパッタリング法では、生成膜組成の制御が困難
で、処理時間が長くかかる欠点がある。さらに、湿式め
っき法では、膜組成のバラツキが大きくなりやすいとい
う課題がある。

【００１２】一方、プラズマ溶射法では、膜厚制御性お
よび生産性がよく、膜組成のバラツキが小さいという長
所はあるものの、磁歪検出材が高温プロセスを受けると
いう理由から高周波に対する磁気特性が確保しにくいと
いう欠点がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように、これらの
逆磁歪現象を利用する応力検出体においては、軸の母材
の表面に、磁気特性や磁気歪定数に優れた磁歪検出材を
形成すれば、特性の良い検出体が製作できるのである
が、ただ単に、軸の平らな母材表面に磁歪検出材を形成
していた為、繰り返し応力負荷下における耐久性の確
保、磁歪検出材の母材からの剥離の防止という点では、
磁歪検出材と母材との単なる密着性に期待するしか無
く、この構造では実用化が困難であるという問題点があ
る。

【００１４】そこで、本発明はこのような問題点を解決
し、磁歪検出材と母材との剥離を防止することにより、
耐久性が確保でき特性の良い（感度が良い、安定、ノイ
ズが小さいなど）磁歪検出材を採用した応力検出体を提
供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するために本発明が採った手段は、以下の様である。応
力を検出するために逆磁歪現象を利用する応力検出体に
おいて、該応力検出体は主として応力を受ける母材と、
該母材の表面またはその内部に該母材とは異種の磁歪検
出材を設けた構成であって、前記母材と前記磁歪検出材
との界面の少なくとも一部の最大表面粗さについて、前
記磁歪検出材の導電率をρ、応力測定時における前記磁
歪検出材に対する磁界の交流励磁周波数をｆ、その交流
励磁周波数ｆ下における前記磁歪検出材の比透磁率をμ
とすれば、

【数３】 であり、前記磁歪検出材の厚みをｔとし、前記最大表面
粗さをＲとすれば、該最大表面粗さＲは、

【数４】 であることを特徴とする応力検出体。

【００１６】

【作用】本発明では、応力を主として受ける母材と、そ
の母材の表面または内部に設けられた磁歪検出材とから
成る応力検出体において、両者の界面の少なくとも一部
に、ある程度の表面粗さを存在させ、両者の機械的結合
を強固にしたため、繰り返し応力負荷状態下において
も、母材からの磁歪検出材の剥離を防止することがで
き、これにより耐久性が確保でき特性の良い（感度が良
い、安定、ノイズが小さいなど）磁歪検出材を採用した
応力検出体を実現できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて、本発
明の実施の形態について説明する。まず、図４に、従来
検討されてきた母材と磁歪検出材との界面の模式図を示
す。従来は両者の界面を滑らかにしようとしてきたが、
例えば母材２２に力が加わると、界面２３の近傍には矢
印２５のように応力や歪が生ずる。この反作用として、
磁歪検出材２４の界面の近傍には矢印２６のように応力
や歪が生じる。これらの現象は繰り返し応力負荷状態に
おいては何度も逆向きに発生するが、従来の方法では磁
歪検出材２４の母材２２からの剥離の防止には、界面２
３における密着力しか期待できない。これでは、繰り返
し応力負荷における耐久性の確保が困難であるのも当然
である。

【００１８】そこで、本発明においては負荷トルクを検
出する目的で図１のような手法をとった。図１（ａ）で
は、母材１である軸１の円周表面２箇所に磁歪検出材６
が形成してあり、この磁歪検出材６には軸心に対して斜
め４５度に溝加工が施されている。７は励磁コイル、８
は検出コイルである。図１（ａ）の磁歪検出材６の断面
概要図を図１（ｂ）に示す。軸１と磁歪検出材６との界
面２の部分は意識的に最大表面粗さＲを持つようにして
ある。

【００１９】このようにする事により、界面２に生ずる
剪断力に対して、軸１と磁歪検出材６との関係におい
て、単なる密着力だけでは無く、機械的な結合も生じて
接合力が増し、繰り返し応力負荷における耐久性の確
保、磁歪検出材６の母材１からの剥離の防止に多大な効
果を発揮する。

【００２０】なお、本発明においては、母材１である軸
１はＳ４５Ｃ、界面２にはサンドブラストを用いて最大
表面粗さＲの面に仕上げ、その上に磁歪検出材６として
パ−マロイ（Ｎｉ−Ｆｅ）を湿式めっきにて形成した。

【００２１】その他の実施例として、図５（ａ）におい
ては略角形状の溝３３を磁歪検出材３４の形成される母
材３２の全域にわたり多数製作するものであるが、図５
（ｂ）に示すように磁歪検出材３４’の形成される母材
３２’の一部に溝３３を製作しても良い。

【００２２】また、図５（ｃ）のように、溝４３の形状
は略三角形状でも良く、図６のように、略円形の一部で
も良い。ここで確認しておきたいのは、各々の溝または
粗さは円周方向だけに刻み込まれているように見える
が、その方向は任意であり、軸方向または円周方向と軸
方向の中間でも良く、またいろいろな方向の溝または粗
さが交差してる場合も効果的である。

【００２３】そして、これらの溝、圧痕、傷などに起因
する表面凹凸を意識的に生じさせる場合には、切削、ま
たは研削を代表とする固定砥粒加工法、または研磨を代
表とする遊離砥粒加工法、またはレーザ照射などによる
部分的溶融法、またはエッチングなどによる部分的削
除、または熱処理により転位が開放されたり結晶粒の肥
大化されたりして起こる表面凹凸の増加など、各種の方
法が適用できる。

【００２４】さらに、図７に示すように、母材５２と磁
歪検出材５４との界面５３に機械的に異物５５を詰め込
んでも良い。図示してないが、異物５５をあらかじめ熱
っしておき、母材５２に部分的に溶着させる方法も考え
られる。また、母材５２と異物５５を同種の金属、また
は融点の近い物質同士として、母材５２と異物５５とを
融点直前まで加熱しておき、光、電気、磁気、振動など
により両者の接触面に間接的にエネルギーを与えて溶着
させても良い。エネルギーを与える方法としては、熱風
等を吹き付けるのも一つの方法である。

【００２５】また、図８はさらに別の実施例を示すもの
であり、この実施例の場合には母材６２の内部に磁歪検
出材６４を充填して形成してある。そして、母材６２と
磁歪検出材６４との界面６３の部分は意識的に最大表面
粗さＲを持つようにしてある。なお、図中符号７は励磁
コイル、８は検出コイルである。

【００２６】ところで、磁歪というのは（応力歪）−
（磁気特性変化）現象であるが、磁歪検出材６の応力の
検出方法に関しては、母材１の表面部に形成される磁歪
検出材６に効果的に磁束を流すため、「表皮効果（ｓｋ
ｉｎ ｅｆｆｅｃｔ）」を利用することが多い。

【００２７】「表皮効果」とは、媒体が完全導体であれ
ば、磁束はその内部に進入できないが、媒体が完全導体
から不導体に近くなるほど、媒体の表面からどんどん内
部に侵入する磁束の割合が多くなることを意味する。

【００２８】つまり、媒体の表面の磁束密度をＢｏ、表
皮深さをδ_S とすれば、 （媒体の半無限遠深さまでの全磁束量）＝δ_S ・Ｂｏ … (１) となり、表皮深さδ_S は次のように示されている。

【数５】 ここで、ｆ：励磁周波数[Hz]、μ：媒体の透磁率、ρ：
媒体の導電率[Ωｍ]

【００２９】磁束密度Ｂｙは媒体の表面からの深さｔに
より、指数関数的に減少することが知られており、Ｂｙ
＝Ｂｏ・ｅｘｐ(-ｔ/δ_S)だから、表面から深さｔまで
の磁束量μＨは、

【数６】 Ｂｏ：表面における磁束密度

【００３０】媒体表面からの深さをｔとすれば、(２)式
の結果から、ｔ＝０．６９３・δ_Sのとき、(１)式の５
０％の磁束量となる。

【００３１】ところで、表面粗さＲの部分の磁束量の影
響具合を考慮するためには、

【数７】

【００３２】表面から深さｔの間の磁歪検出材６を通過
する磁束量に対しての、深さｔを底とする粗さＲの層に
おける磁束量の影響を考えるために、前述の(３)式、
(４)式の比をとり、

【数８】

【００３３】ここで、(３)式の磁束量を信号と考え、
(４)式の磁束量をノイズと考えて、(５)式に対してＳ／
Ｎ比を導入すると、

【数９】

【００３４】そして、本発明にて使用した磁歪検出材６
のパーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ）の物性値は、 μ＝５０００（但し、μｏ＝4π×10^-7 [Ｈ/m]）、ρ＝
０．００５８[Ω/m] であり、これを励磁周波数ｆ＝５０[KHz]にて使用した
場合、表皮深さδ_Sは、 δ_S ＝２．４２４〔ｍｍ〕＝２．４２４×１０^-3
〔ｍ〕

【００３５】これらの値から、(６)式を基にＳ_N＝４０
〔ｄＢ〕となるときの磁歪検出材６の厚みｔによる母材
１の表面粗さＲについて検討する。

【数１０】

【数１１】

【数１２】 よって、

【数１３】 この(10)式は図８に示すグラフの様な結果となる。

【００３６】この図８によれば、各々の磁歪検出材６に
対する母材１の表面粗さＲは図８に示す曲線より小さけ
れば、Ｓ_N の値はもっとよくなるということである。こ
の結果、母材１の表面粗さＲがある程度の量で、機械的
結合による母材１と磁歪検出材６との剥離防止は充分効
果がある。なお、母材１の表面粗さＲが、０．６×１０
^-6〔ｍ〕より小さいと、滑らかになりすぎて剥離し易く
なるのである。また、表面粗さを構成する前述の溝の断
面形状が矩形に近いならば、表面粗さＲが数μｍ以下で
も充分機械的結合が期待できる。

【００３７】尚、今回の軸の材質にはＳ４５Ｃを用いた
が、勿論鋼は言うに及ばず、アルミニウム合金、マグネ
シウム合金、チタニウム合金、銅合金など弾性材料なら
ば、適用可能であり、また、磁歪検出材には今回パーマ
ロイを用いたが、他の組成比のＮｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ、
Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合
金、Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金などの各種合金、
フェライトを代表とする磁性セラミクス、希土類金属化
成物などの各種磁性体が適用可能である。そして、本発
明においてはトルクの測定に基づいて述べたが、引張り
力、圧縮力、摩擦力、加圧力など各種応力の測定に有効
な手法である。

【発明の効果】本発明によれば、応力検出体は主として
応力を受ける母材と、該母材の表面またはその内部に母
材とは異種の磁歪検出材を設けた構成であって、母材と
磁歪検出材との界面の少くとも一部の最大表面粗さにつ
いて、磁歪検出材の導電率をρ、応力測定時における磁
歪検出材に対する磁界の交流励磁周波数をｆ、その交流
励磁周波数ｆ下における磁歪検出材の比透磁率をμとす
れば、

【数１４】 であり、磁歪検出材の厚みをｔとし、最大表面粗さをＲ
とすれば、最大表面粗さＲは、

【数１５】 とある程度の大きさであり、両者の機械的結合を強固に
したため、繰り返し応力負荷状態においても、母材から
の磁歪検出材の剥離を防止することができ、これにより
耐久性が確保でき特性の良い（感度が良い、安定、ノイ
ズが小さいなど）磁歪検出材を採用した応力検出体を実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）は本発明の第一の実施例を示す概要図
であり、（ｂ）はその断面概要図である。

【図２】 従来の磁歪式トルクセンサの一例を示す概要
図である。

【図３】 従来の磁歪式トルクセンサの他の例を示す概
要図である。

【図４】 従来の母材と磁歪検出材の界面を示す模式図
である。

【図５】 本発明に係る他の実施例における母材と磁歪
検出材の界面をそれぞれ示す模式図である。

【図６】 本発明に係る別の実施例における母材と磁歪
検出材の界面を示す模式図である。

【図７】 本発明に係るさらに別の実施例における母材
と磁歪検出材の界面を示す模式図である。

【図８】 本発明に係るさらに別の実施例における母材
と磁歪検出材の界面を示す模式図である。

【図９】 本発明の実施の形態を示すＳ_N ＝４０〔ｄ
Ｂ〕となるときの磁歪検出材の厚みｔと母材の表面粗さ
Ｒとの関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 母材 ２ 界面 ６ 磁歪検出材 ７ 励磁コイル ８ 検出コイル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】応力を検出するために逆磁歪現象を利用す
   る応力検出体において、該応力検出体は主として応力を
   受ける母材と、該母材の表面またはその内部に該母材と
   は異種の磁歪検出材を設けた構成であって、前記母材と
   前記磁歪検出材との界面の少くとも一部の最大表面粗さ
   について、 前記磁歪検出材の導電率をρ、応力測定時における前記
   磁歪検出材に対する磁界の交流励磁周波数をｆ、その交
   流励磁周波数ｆ下における前記磁歪検出材の比透磁率を
   μとすれば、 【数１】 であり、 前記磁歪検出材の厚みをｔとし、前記最大表面粗さをＲ
   とすれば、該最大表面粗さＲが、 【数２】 であることを特徴とする応力検出体。