JPH0710009B2 - 力学量検出素子の固定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 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。

従来技術およびその問題点 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，
高靱性材であって、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
耐え得る等の利点が得られる。

その一例として、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に生ずる応力を薄帯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、
予め薄帯01の全面に周方向03に対する傾向角α（α＞45
゜）の方向に一様な磁化容易軸（一軸磁気異方性）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の軸心線方向に対して
角度±45゜の方向に応力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Ku′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（Ku→Ku′）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（一次コイル）、検出コイル
（二次コイル）を用いて、透磁率（または磁束密度）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＝０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の巻き付け張力が全
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。

問題点を解決するための手段および作用 本発明の第一の目的は、力学量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、力学量検出精度を向上させる点に
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、力学量検出可能範囲が拡大され、広範囲の力学
量変化を検知することが可能であって、応力＝０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、非晶質磁性合金の薄帯で
形成した力学量検出素子を、力学量測定対象物としての
中空体の外表面に固定する方法において、その片面に粘
着性材料を付した力学量検出素子を中空体の外表面に取
着し、中空体の内部に磁石を配置して該中空体の外表面
に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、または力
学量測定対象物としての中空体の外表面に、未硬化状態
の熱硬化性樹脂接着剤を介して力学量検出素子を取着
し、中空体の内部に磁石を配置して該中空体の外表面に
力学量検出素子を磁気吸引せしめ、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中空体
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、高速回転する銅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，電磁気
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（結晶合金）に比して低密度
であって、原子間引力は結晶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＝０は、見掛け上の値であって、例
えば第５図図示の如く、特性曲線ａに連なる曲線ｂが潜
在すると考えることができ、この潜在曲線ｂ部分を応力
≧０の範囲に持ち来たし、第６図図示の特性曲線ｃを得
ることができるならば、応力−磁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）を与えるこによって前記特性曲線ｃ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ずる方法が簡単
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
イド社製Metglas 2605SC（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。それ故、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
質磁性合金部片の少なくとも一部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、それ故使
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。

この手法を第８図図示の如き円管軸としての中空体１
（局部的に中空である場合には、その中空部分を指して
中空体と称することとする）に適用するには、中空体１
の外周に熱硬化性樹脂接着剤を塗布するか、あるいは非
晶質磁性合金部片である薄帯２の片面に熱硬化性樹脂接
着剤を塗布した状態で、薄帯２を中空体１の周囲に巻き
付け、その後、それ等全体を少なくとも熱硬化性樹脂接
着剤の硬化温度まで加熱し、薄帯２が収縮した状態で熱
硬化性樹脂接着剤を硬化させて薄帯２を固定すれば良
い。

しかるに、本発明では、第９図に示す様に、薄帯２を中
空体１の周囲に巻き付けた状態で、中空体１の内部に薄
帯２に対して均一、対称的な磁力線を作用させ得る磁石
（永久磁石、電磁石）３を配置して、磁力線によって磁
化された薄帯２を均等な力で磁石３側に磁気吸引せしめ
（中空体１の外表面に吸着せしめ）、もって熱硬化性樹
脂接着剤塗膜2aの厚さを全周に亘って均一化させ、その
状態を維持しながら熱硬化性樹脂接着剤を硬化させる
か、または薄帯２を中空体１の周囲に巻き付けるに先立
って中空体１の内部に磁石３を配置しておき、同様な操
作で熱硬化性樹脂接着剤を硬化させることとした。

この結果、薄帯２に生ずる圧縮ひずみ，および熱硬化性
樹脂接着剤の膜厚は、中空体１の全周に亘って均一にな
り、中空体１に力が作用した時の表面層の変形状態を高
い精度で検出することができる。

また、薄帯２を中空体１の周囲に巻き付け固定するため
の手段として、粘着性材料を用いることができる。この
場合には、熱硬化性樹脂接着剤と違って薄帯２に最終的
な圧縮ひずみを付与することはできないが、磁気吸引力
の作用で粘着性材料の膜厚を均一化させることにより、
力学量測定対象物としての中空体表面の形状が力学量検
出素子によって正しく再現され、中空体に変形力が作用
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。

実 施 例 力学量測定対象物としてのJIS SUS304材製中空円筒４
（両端に大径部５を備える）、中空円筒４の内部に挿入
すべき丸棒状永久磁石（フェライト磁石）６、および中
空円筒４の主胴部外周に巻き付けるべき厚さ25μｍの正
の磁歪を有する非晶質磁性合金（アライド社製Metglas
2605SC（商品名）：透磁率μmax＝３×10⁵）製矩形薄帯
９を用意した（第10図）。

中空円筒４の主胴部内径は32mm^φ、外径は36mm^φであ
る。

一対のゴム・リング７が外嵌された永久磁石６は、第11
図、第12図図示の如く、円周方向に亘って軸対称的に磁
化されており、それ故、磁力線８も軸対称的に発生す
る。この磁力線８は、中空円筒４内に永久磁石６を挿入
した状態で、中空円筒４の壁と交差する成分を有する。

薄帯９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XN1244（商品
名）（熱膨張係数10×10^-5/℃））を塗布し、第13図に
示す様に、中空円筒４の主胴部外周に巻き付けた。

永久磁石６を、軸心が一致する様に中空円筒４内に挿
入し、磁力線８の作用で中空円筒４の外表面に対して薄
帯９を吸着させた（第14図。図中、10は熱硬化性樹脂接
着剤層を示す）。

その状態のまま、全部材を加熱炉内に装入し、熱硬化
性樹脂接着剤の硬化温度（85℃）を越える温度120℃に
まで加熱し、熱硬化性樹脂接着剤層10を硬化させた後、
炉外に取出して放冷し（第15図：加熱冷却曲線参照）、
中空円筒４から永久磁石６を抜き去った。

以上の手順により、その層厚を中空円筒４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層10を硬化さ
せ得るとともに、薄帯９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９
につき、第４図図示の場合と同様にして応力−磁気特性
（応力−出力電圧（Ｖ））を調べたところ、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Ｉが広い第16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、圧縮ひずみの付与が有効であることが判る。

なお、与えられた圧縮ひずみは等方的であって、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
付けて接合した後、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。

発明の効果 以上の説明から明らかな様に、本発明では、力学量測定
対象物としての中空体の外表面に、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中空体を、力学
量検出素子の使用温度範囲を越える熱硬化性樹脂接着剤
の硬化温度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
膜厚が中空体の外表面に亘って均一化された状態で熱硬
化性樹脂接着剤塗布膜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（等方的圧縮ひずみ）を与
えることができる。特に後者については、直線性良好、
力学量検出可能範囲大なる力学量検出素子により力学量
測定対称物としての中空体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
の原理を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2605SC（商品名）の，温度によ
る熱膨張係数変化を示すグラフ、第８図は力学量検出対
象物としての中空体の外周に熱硬化性樹脂接着剤を用い
て力学量検出素子たる薄帯を巻き付けた状態を示す図、
第９図は前記中空体内に磁石を挿入した図、第10図は本
発明を実施するために用いる部材例を示す図、第11図、
第12図は該部材の一つである棒状永久磁石の磁化の状態
を示す図、第13図は中空円筒の主胴部外周に、力学量素
子たる薄帯を巻き付けた状態を示す図、第14図はその断
面図、第15図は前記各部材の各熱炉中における加熱冷却
曲線を示すグラフ、第16図は圧縮ひずみを付与された前
記薄帯の応力−磁気特性を示すグラフである。 １……中空体、２……薄帯、３……磁石、４……中空円
筒、５……鍔、６……永久磁石、７……ゴム・リング、
８……磁力線、９……薄帯、10……熱硬化性樹脂接着剤
層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、非晶質磁性合金の薄帯で形
   成した力学量検出素子を、力学量測定対象物としての中
   空体の外表面に固定する方法において、 その片面に粘着性材料を付した力学量検出素子を中空体
   の外表面に取着し、中空体の内部に磁石を配置して該中
   空体の外表面に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を特徴
   とする力学量検出素子の固定方法。
2. 【請求項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、非晶質磁性合金の薄帯で形
   成した力学量検出素子を、力学量測定対象物としての中
   空体の外表面に固定する方法において、 中空体の外表面に、未硬化状態の熱硬化性樹脂接着剤を
   介して力学量検出素子を取着し、中空体の内部に磁石を
   配置して該中空体の外表面に力学量検出素子を磁気吸引
   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中空体を、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
   とを特徴とする力学量検出素子の固定方法。