JPS6369283A - 力学量検出素子の固定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 りに立五皿±１ 本発明は、非晶質磁性合金（アモルファス磁性合金）の
応力−磁気効果を利用する力学量検出素子を、力学量測
定対象物の表面に固定する方法に関するものである。

−およびその口 力、トルクなどを計測する力学量センサにおいて、非晶
質磁性合金の応力−磁気効果を利用するセンサが、近年
注目されつつあり、この力学量センサによれば、■力の
非接触検出が可能である、■力の電気量への変換を直接
的に行うことができる、■センサとしての装置構造が簡
単で、小型化が達成される、■非晶質磁性合金は高強度
、高靭性材であって、耐食性に優れるとともに、完全弾
性体でもあるため、耐環境性に優れ、広範囲の使用条件
に耐え得る９等の利点が得られる。

その−例として、応力−磁気効果が敏感な正の磁歪を有
する非晶質磁性合金の薄帯０１を回転軸０２に巻き付け
、トルクＴによって回転軸０２に生ずる°“捩りひずみ
”を薄帯０１に導入せしめ、応力−磁気効果による薄帯
０１の磁気特性の変化を検出し、もってトルクＴを検出
するトルクセンサが知られている（第１図参照）。磁歪
が正の非晶質磁性合金では、引張り応力を与えると、引
張り方向の磁気弾性エネルギーが低下し、その方向で磁
化が容易になる現象があり、この現象を　応力−磁気効
果と称しているが、前記トルクセンサにおいては、該応
力−磁気効果を利用して、薄帯０１の全面に、周方向０
３に対する傾斜角α（α〉４５°）の方向に一様な磁化
容易軸（−軸磁気異方性）　Ｋｕを与えている。しかる
に、回転軸０２にトルクＴが作用すると、第２図図示の
如く、回転軸０２の軸心線力（ただし、ｄは回転軸０２
の外径である）で表わされる応力σが生じ、応力−磁気
効果により、＋σの方向にも一軸磁気異方性が誘導され
、結果として合成された磁化容易軸にＵ′が与えられる
。

しかして、一般に磁性体の透磁率は、磁界方向に対する
磁化容易軸の方向によって変化することから、前記磁化
容易軸の変化（にＵ→にｕ’　）を透磁率の変化として
捉え、トルクＴの大きさを検出することができる。

そこで、例えば励磁コイル（−次コイル）、検出コイル
（二次コイル）を用いて、透磁率（または磁束帯ｒ！り
の変化を電圧変化として検出すると、第３図図示の如き
トルク−出力曲線が得られる。

ところが、通常使用されている非晶質磁性合金では、直
線性（リニアリティ）が悪く、力学量検出可能範囲Ｉが
狭いために、低トルク範囲の検出素子として利用される
に留まっており、また該非晶質磁性合金の応力−出力曲
線は第４図図示の如くであり、応力−〇の近傍で曲線の
勾配が大きいために、その部分で感度が非常に高く、第
１図において、回転軸０２の表面に薄帯０１を接着剤接
合する際の接着力によって薄帯０１に生ずる応力分布が
均一でないことに起因して、回転軸０２に作用するトル
クが零である場合に、本来零になるはずの検出出力が、
該回転軸０２の停止角度の違いによって比較的大きな値
で検出されてしまう。

また、回転軸０２の表面に、薄帯０１を単に接着剤接合
するだけでは、回転軸０２に対する薄帯０１の巻き付は
張力が全体として均一にはならず、接着剤の膜厚が不均
一になり、回転軸０２の変形状態を正確に捉えることが
できない。

を　゛　るための 本発明の第一の目的は、力学（至）測定対象物の表面に
力学量検出素子を取着固定するための粘着性材料または
接着剤の膜厚を均一化し、力学量検出素子を向上させる
点にある。

本発明の第二の目的は、応力−磁気特性曲線の直線性が
良好で、力学出検出可能範囲が拡大され、広範囲の力学
量変化を検出することが可能であって、応カー〇近傍に
おける該特性曲線の勾配が緩やかなる力学量検出素子を
得る点にある。

この目的は、■正の磁歪を有する非晶質磁性合金の応力
−磁気効果を利用するために、非晶質磁性合金部片で形
成した薄帯状の力学量検出素子を、力学量測定対象物と
しての強磁性体部材の表面に固定する方法において、強
磁性体部材の表面に、該強磁性体部材よりも透磁率の大
きな力学量検出素子を粘着性材料をもって取着し、外部
磁界を作用させることにより、力学量検出素子を含めて
少なくとも強磁性体部材の力学量検出素子取着表面層に
該取着表面と平行な方向の内部磁界を発生させ、それに
よって力学量検出素子を磁気吸引せしめ、力学■検出素
子の全面に亘って均等に作用する磁気吸引力をもって前
記粘着性材料の層厚を均等化させることにより、または
■正の磁歪を有する非晶質磁性合金の応力−磁気効果を
利用するために、非晶質磁性合金部片で形成した薄帯状
の力学量検出素子を、力学量測定対像物としての強磁性
体部材の表面に固定する方法において、強磁性体部材の
表面に、未硬化状態の熱硬化性樹脂接着材を介して、強
磁性体部材よりも透磁率の大きな力学量検出素子を取着
し、外部磁界を作用させることにより、力学量検出素子
を含めて少なくとも強磁性体部材の力学量検出素子取着
表面層に該取着表面と平行な方向の内部磁界を発生させ
、それによって力学量検出素子を全面に亘って均等に磁
気吸引せしめ、その状態を維持しつつ、力学量検出素子
、熱硬化性樹脂接着剤および強磁性体部材を、力学量検
出素子の使用温度範囲を越えて少なくとも熱硬化性樹脂
接着剤の硬化温度にまで加熱して保持し、熱硬化性樹脂
接着剤を硬化させた後、前記使用温度範囲まで冷却し、
もって力学量検出素子に等方的圧縮ひずみを付与するこ
とによって達成される。

例えば、高速回転する鋼ドラム上に溶融合金を連続供給
して、これを超急冷し、薄帯（リボン）形状で提供され
る非晶質磁性合金は、その組織中に結晶粒界が存在せず
、従来の結晶質合金に比して機械的、化学的、ＷａｖＡ
気的に優れた強磁性材であって、特に鉄を主成分とする
非晶質磁性合金は、応力−磁気特性において優れた直線
性（リニアリティ）を示す。

ところで、前記非晶質磁性合金は、液体構造を凍結する
ことによって得た材料であるから、その原子分布状態が
液相状態に類似し、結晶体く結晶合金）に比して低密度
であって、原子間引力は結畠体に比して大きいものと想
定される。この想定に従うならば、第４図に示した特性
曲線ａにおける応力−〇は、見掛は上の値であって、例
えば、第５図図示の如く、特性面ｌａに連なる曲線すが
潜在すると考えることができ、この潜在曲線す部分を応
力≧０の範囲に持ち来たし、第６図図示の特性面ｌＪｃ
を得ることができるならば、応カー過気特性が著しく向
上する。

本発明者等は、斯かる想定の下で、実験を行なった結果
、正の磁歪を有する非晶質磁性合金部片に予め圧縮ひず
み（圧縮応力）を与えることによって前記特性面ＩＩＣ
を実現できることを確認した。

圧縮ひずみを与えるには、非晶質磁性合金と熱膨張（収
縮）特性の異なる塗膜を該非晶質磁性合金部片の表面に
付し、両層の接合関係で相対的に非晶質磁性合金部片の
熱変形を封する方法が１２！Ｉｒａである。ここで留意
すべきは、非晶質磁性合金の熱膨張特性である。

参考のために、非晶質磁性合金（鉄基合金）であるアラ
イド社ｔｌＨｅｔｇｌａｓ　２６０ＳＳＣ（商品名）の
熱膨張係数を調べたところ、第７図図示の如き曲線（温
度−熱膨張係数）が得られた。なお、該２６０５ＳＣの
薄帯は、単ロール法で形成したものを用いた。この薄帯
は、その長尺方向に沿って急冷されたものであるため、
熱膨張係数の測定は、長尺方向についてこれを測定した
。斯かる熱膨張特性を利用して、例えば硬化温度９３℃
の熱硬化性樹脂膜を塗布することによって該非晶質磁性
合金部片に圧縮ひずみを付与するのは好適であり、熱硬
化性樹脂膜を塗布した非晶質磁性合金部片を、力学量検
出素子としての使用温度範囲（通常の力学量検出素子は
常温２５℃で使用されており、それ数便用温度とは、常
温を基準として、それ以上、またはそれ以下の温度を指
す）を越える該樹脂硬化温度以上に加熱して硬化させ、
得られた被膜付き部片を、力学量検出素子として使用す
る場合の使用温度に戻せば良い。その際、常温において
は、非晶質磁性合金部片は本来第７図の熱膨張係数に従
って膨張するはずであるが、その膨張を熱硬化性樹脂膜
によって抑えられているため、非晶質磁性合金部片に対
して圧縮ひずみが与えられる。なお、使用する熱硬化性
樹脂の硬化後のヤング率は大きいほど好ましい。

また、本発明では、粘着性材料、または未硬化状態の熱
硬化性樹脂接着剤をもって強磁性体部材の表面に取着さ
れる薄帯状の力学ｍ検出素子に、外部磁界の作用で少な
くとも強磁性体部材の表面層および力学量検出素子に内
部磁界を生ぜしめ、力学量検出素子の全面に亘って均等
に作用する磁気吸引力で粘着性材料または未硬化状態の
熱硬化性樹脂接着剤の層厚を均一化させることとした。

そして、熱硬化性樹脂接着剤については、前記状態を維
持しつつ、これを加熱硬化させれば良い。

この結果、粘着性材料、または熱硬化性樹脂接着剤の層
厚が均一になり、力学量測定対象物としての強磁性体部
材の表面の形状が力学量検出素子によって正しく再現さ
れ、強磁性体部材に変形力が作用した時の表面層の変形
状態を精度良く検出することができる。

なお、力学ｍ検出素子に外部磁界による磁気吸引力を作
用させるには、強磁性体部材よりも透磁率の大きな力学
量検出素子を用いるべきであり、また強磁性体部材に外
部磁界を作用させるタイミングは、該強磁性体部材の表
面に力学ｍ検出素子を取着する前、後いずれでもあって
も差し支えない。

宜Ｊ１九ユ ■力学量測定対象物としてのステンレス１９　（ＪＩＳ
ＳＵＳ３６０　：透磁率μ−＝９５）製丸棒１、一対の
永久磁石２，２、および正の磁歪を有する厚さ２５μｍ
の非晶質磁性合金（アライド社製Ｎｅｔ（ｌｌａｓ　２
６０５ＳＣ（商品名）：透磁率μ＃−３Ｘ　１０’　）
製薄帯３を用意したく第８図）。

■薄帯３の片面全体に熱硬化性樹脂接着剤（チバガイギ
ー社製エポキシ系樹脂接着剤アラルダイトＸ　Ｎ　１２
４４　（商品名）（熱膨張係数１０Ｘ　１０−５７℃）
）を塗布し、第９図に示す様に、丸棒１の外周に巻き付
けた。

■次に、丸棒１の両端に対面して相互に極性の向きを逆
にした永久磁石２．２を配置し、丸棒１および薄帯３に
生じた内部磁界の作用で、丸棒１に対して薄帯３を磁気
吸引せしめたく第１０図、第１１図。図中、４は熱硬化
性樹脂接着剤層を示し、５は磁力線を示す）。

■その状態のまま、全部材を加熱炉内に装入し、熱硬化
性樹脂接着剤の便化温度を越える温度１２０℃にまで加
熱し、熱硬化性樹脂接着剤４を硬化させた後、炉外に取
出して放冷した（第１２図：加熱冷部曲線参照）。

以上の手順により、その層厚を丸棒１の全周に亘って均
一化させた状態で熱硬化性樹脂接着剤４を硬化させ得る
とともに、薄帯３と熱硬化性樹脂接着剤４の熱収縮差に
より、力学量検出素子である薄帯３の全面に均一な等方
的圧縮ひずみを与えることができる。圧縮ひずみを付与
した薄帯３につき、第４図図示の場合と同様にして応力
−磁気特性を調べたことる、第６図に示す曲線Ｃと同様
に、応力−０近傍において勾配が緩やかで、力学量検出
可能範囲工が広い第１３図の曲線ｄが得られた。この曲
線ｄを曲線ａ（第４図参照）と対比するならば、曲線ひ
ずみの付与が有効であることが判る。

この手法の利点は、■丸棒１に他部材を接触させること
なく、丸棒１の外周面に沿って均等に発生する磁力によ
り丸棒１に対して薄帯３を吸引。

固定することができ、丸棒１と薄帯３の間で生ずる圧力
が均一であるため、その間に存在する熱硬化性樹脂接着
剤４の層厚もまた均一になる、■永久磁石２を選択する
ことにより薄帯３と丸棒１の間の磁気吸引力の強さを調
整し、使用する熱硬化樹脂接着剤の粘性差等に容易に対
処することができる、■硬化後の熱硬化性樹脂接着剤層
の層厚が均一になるため、薄帯３の彎曲した形状は丸棒
１の外周面形状に正確に対応するとともに、外力の作用
で丸棒１の外周に生じた変形を薄帯３によって正しく捉
えることができ、力学ｍ検出素子としての出力変動を可
及的に抑えることができる等である。

なお、得られた圧縮ひずみは等方力であって、従来の様
に、例えば捩りを与えられた棒軸の周囲に薄帯を巻き付
けて接合した侵、棒軸の捩りを解除し、もって薄帯に捩
りひずみを与えたものとは異なっており、該従来法では
特性曲線ｄを得ることはできない。

！ｉ■１ ■実施例１で使用した薄帯３とは、相互に平行な複数条
の傾斜スリット３ａ（角度θ＝４５°）が形成されてい
る点でのみ相違する薄帯３Ａを用意した（第１４図）。

■他の全ての条件を実施例１と同等にして、予め等方力
圧縮ひずみが得られた状態で、薄帯３Ａを丸棒１の外周
に固定したく第１５図）。

■次に、第１８図参照の如く、励磁コイル８．検出コイ
ル９．９を巻いた磁心６．磁心７．７を薄帯３Ａ面に対
して直線に近接して宛てがい、励磁コイル８に実効＠　
１００ｍＡの高周波電流を供給し、検出コイル９，９の
端子線９ａに生ずる誘起電圧（Ｖ）を調べることとした
（なお、第１５図には、励磁コイル８．検出コイル９の
配置を概念的に示している）。

この誘起電圧（Ｖ）は、前述の如く、非晶質磁性合金部
片である薄帯３Ａの透磁率の変化、すなわち丸棒１に与
えられたトルクＴによって薄帯３Ａに導入される引張り
ひずみの大小によって変化し、透磁率とトルクＴとの関
係を予め調べておけば、誘起電圧（Ｖ）を測定すること
により、トルクＴの大きさを知ることができる。

■斯くして得られた薄帯３Ａのトルク−出力曲線を第１
７図に示す。

第１７図を第３図と対比すると、トルクＴ−０の近傍で
曲線の勾配が緩やかになっていることが判る。

叉Ｊ１九旦 ■実施例１で用いたものと同様な丸棒１．＠帯３を用意
し、熱硬化性樹脂接着剤（チバガイギー社製エポキシ系
樹脂接着剤アラルダイトＸ　Ｎ　１２４４（商品名）（
熱膨張係数１０Ｘ　１０−５　／”Ｃ）　）を用いて丸
棒１の外周に薄帯３を巻き付け、これを常温状態の加熱
炉内に装入した（第１８図参照。ただし、加熱炉は示し
ていない）。

■加熱炉の炉壁には、複数枚の口字状強磁性板（例、珪
素鋼板）を積層させて成る磁心１０が配設されており、
直流１！源に接続されたコイル１２が磁心１０の基体部
分に巻回され、磁心１０の端部１１．１１間に丸棒１が
位置する。

従って、丸棒１には、その一端から他端に向う外部磁界
（磁力線１３参照）が与えられ、丸棒１および薄帯３に
生じた内部磁界の作用で、実施例１゜２の場合と同様に
、丸棒１に対して薄帯３が磁気吸引された。

■その状態を維持しつつ、第１２図の加熱冷却曲線に従
って加熱炉温度を昇温後、降温させ、熱硬化性樹脂接着
剤層を硬化せしめた。

以上の手順によって丸棒１の外周に、等方力圧縮ひずみ
が与えられた薄帯３を巻き付は固定することができた。

この手法では、■コイル１２に与える電流の大きさによ
って外部磁界の大きさを変化させ、薄帯３と丸棒１の間
の磁気吸引力の大きさを調整し得る、■スイッチ（ＳＷ
）の操作によって、加熱炉内に装入した丸棒１に対し、
任意のタイミングで外部磁界を作用させ、あるいは解除
し得るという利点が得られる。

見立ＩＬ 実施例３の変形例であり、複数枚の強磁性板（例、珪素
鋼板）を積層させて成る磁心１０△の形状、およびその
端部１１Ａ、１１Ａに各々コイル１２゜１２を巻回させ
た点で、実施例３と相違するだけである。磁気回路構成
体１５によって得られる磁界（磁力線１３）は、実施例
１のそれに比して大きい（第１９図）。

友［１上 実施例１の変形例であり、一対の永久磁石２８゜２Ｂを
、複数枚の強磁性板（例、珪素鋼板）を積層させて成る
枠状部材１４で相互に連結し、磁気回路構成体１５を形
成した点で実施例と相違するだけである（第２０図）。

なお、前記各実施例では、薄帯３を丸棒１の周囲に取着
するための手段として熱硬化性樹脂接着剤を用いたが、
単なる粘着性材料を用いても薄帯３を取着することがで
き、磁気吸引力を利用してその粘着性材料の層厚を均一
化させ、丸棒１の外周面の形状を薄帯３によって正しく
再現することができる。

Ｒ旦Ｊと迩里 以上の説明から明らかな様に、本発明では、力学量検出
対象物としての強磁性体部材の表面に、粘着性材料、ま
たは未硬化状態の熱硬化性樹脂接着剤の粘着力および磁
気吸引力を利用して、強磁性体部材に比して透磁率の大
きな薄帯状の力学量検出素子を取着し、さらに熱硬化性
樹脂接着剤にあっては、その状態を維持しつつ、力学量
検出素子、熱硬化性樹脂接着剤および強磁性体部材を、
力学量検出素子の使用湿度範囲を越えて少なくとも熱硬
化性樹脂接着剤の硬化温度にまで加熱して保持し、熱硬
化性樹脂接着剤を硬化させた後、前記使用温度範囲まで
冷却することとした、それ故■粘着性材料を用いた場合
では、その層厚の均一化により力学量検出素子による強
磁性体部材の表面形状の再現が正しく行われ、強磁性体
部材に力が作用した時の表面層の変形状態を精度良く検
出することができ、また■熱硬化性樹脂接着剤を用いた
場合では、その層厚が強磁性体部材の表面に亘って均一
化された状態で熱硬化性樹脂接着剤層を硬化させ得ると
ともに、力学量検出素子に均一な圧縮ひずみ（等方力圧
縮ひずみ）を与えることができる。特に後者については
、直線性良好、カ常置検出可能範囲大なる力学量検出素
子により、力学量検出対象物としての強磁性体部材に作
用する外力の大きさを高い精度で検出することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は非晶質磁性合金部片を軸の周囲に接合
して、軸に与えられるトルクを検出する場合の原理を説
明する図、第３図は非晶質磁性合金製力学量検出素子を
用いたトルクセンサによる軸トルク測定例としてのトル
ク−出力曲線を示すグラフ、第４図は非晶質磁性合金の
応力−磁気特性を示すグラフ、第５図、第６図は本発明
の詳細な説明するための応力−磁気特性を示すグラフ、
第７図は非晶質磁性合金２６０５３Ｃ（商品名）の、温
度による熱膨張係数変化を示すグラフ、第８図は本発明
を実施するために用いる各部材を示す斜視図、第９図は
熱硬化性樹脂接着剤を介して丸棒の外周に薄帯（力学量
検出素子〉を巻き付けた状態を示す図、第１０図は該丸
棒の両端に対面して永久磁石を配置した状態を示す図、
第１１図はその断面図、第１２図は前記丸棒を加熱炉中
で加熱する場合の加熱冷却曲線を示すグラフ、第１３図
は前記薄帯の応力−磁気特性を示すグラフ、第１４図は
複数条のスリットが形成された薄帯を示す図、第１５図
は該薄帯を熱硬化性樹脂接着剤を介して丸棒の外周に巻
き付けた状態および薄帯の透磁率変化を検出する装置を
示す図、第１６図はその斜視図、第１７図は該検出装置
によって得られたトルク−出力曲線を示すグラフ、第１
８図、第１９図、第２０図はそれぞれ薄帯を巻き付けた
丸棒に外部磁界を作用させるための磁気回路構成体を示
す図である。 １・・・丸棒、２・・・永久磁石、２Ａ・・・磁力線、
３・・・薄帯、４・・・熱硬化性樹脂接着剤、５・・・
磁力線、６゜７・・・磁心、８・・・励磁コイル、９・
・・検出コイル、９ａ−・・端子線、１０・・・磁心、
１１・・・端部１１．１２・・・コイル、１３・・・磁
力線、１４・・・枠状部材、１５・・・磁気回路構成体
。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）正の磁歪を有する非晶質磁性合金の応力−磁気効
   果を利用するために、非晶質磁性合金部片で形成した薄
   帯状の力学量検出素子を、力学量測定対象物としての強
   磁性体部材の表面に固定する方法において、 強磁性体部材の表面に、該強磁性体部材よりも透磁率の
   大きな力学量検出素子を粘着性材料をもって取着し、外
   部磁界を作用させることにより、力学量検出素子を含め
   て少なくとも強磁性体部材の力学量検出素子取着表面層
   に該取着表面と平行な方向の内部磁界を発生させ、それ
   によつて力学量検出素子を磁気吸引せしめ、力学量検出
   素子の全面に亘つて均等に作用する磁気吸引力をもつて
   前記粘着性材料の層厚を均等化させることを特徴とする
   力学量検出素子の固定方法。
2. （２）正の磁歪を有する非晶質磁性合金の応力−磁気効
   果を利用するために、非晶質磁性合金部片で形成した薄
   帯状の力学量検出素子を、力学量測定対象物としての強
   磁性体部材の表面に固定する方法において、 強磁性体部材の表面に、未硬化状態の熱硬化性樹脂接着
   剤を介して、強磁性体部材よりも透磁率の大きな力学量
   検出素子を取着し、外部磁界を作用させることにより、
   力学量検出素子を含めて少なくとも強磁性体部材の力学
   量検出素子取着表面層に該取着表面と平行な方向の内部
   磁界を発生させ、それによって力学量検出素子を全面に
   亘って均等に磁気吸引せしめ、その状態を維持しつつ、
   力学量検出素子、熱硬化性樹脂接着剤および強磁性体部
   材を、力学量検出素子の使用温度範囲を越えて少なくと
   も熱硬化性樹脂接着剤の硬化温度にまで加熱して保持し
   、熱硬化性樹脂接着剤を硬化させた後、前記使用温度範
   囲まで冷却し、もつて力学量検出素子に等方的圧縮ひず
   みを付与することを特徴とする力学量検出素子の固定方
   法。
3. （３）前記強磁性体部材が軸部材であり、該軸部材の一
   端から他端側へ向う外部磁界を軸部材に作用させ、それ
   によって力学量検出素子を含めて少なくとも強磁性体部
   材の力学量検出素子取着表面層に、該取着表面と平行な
   方向の内部磁界を発生させることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項に記載された力学量検出素子
   の固定方法。
4. （４）前記強磁性体部材が軸部材であり、該軸部材の一
   端から他端側へ向う外部磁界を磁気回路構成体によって
   与え、それによつて力学量検出素子を含めて少なくとも
   強磁性体部材の力学量検出素子取着表面層に、該取着表
   面と平行な方向の内部磁界を発生させることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項に記載された力学
   量検出素子の固定方法。