JPH0710010B2 - 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“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03に対する傾斜角
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゜の方向に式 （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軸で検出され
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
量変化を検出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、力学量検出素
子の全面に亘って均等に作用する磁気吸引をもって前記
粘着性材料の膜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、液体構造を連結する
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）を与えること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。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。

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
れる薄帯状の力学量検出素子に、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、力学量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
面に力学量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。

実施例１ 力学量測定対象物としてのステンレス鋼（JIS SUS36
0:透磁率μmax＝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Metglas 2605SC（商品名）：透磁率μmax＝
３×10⁵）製薄帯３を用意した（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XN1244（商品
名）（熱膨張係数10×10^-5/℃））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（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
性樹脂接着剤の硬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：加熱冷却曲線参照）。

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
量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。

実施例２ 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、予め等方的
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（第15図）。

次に、第16図図示の如く、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に実効値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17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。

実施例３ 実施例１で用いたものと同様な丸棒1,薄帯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XN1244（商品名）（熱膨張係数
10×10^-5/℃））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、複数枚のコ字状強磁性板（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
流電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、等方的圧縮ひずみ
が与えられた薄帯３を巻き付け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。

実施例４ 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10Aの形状、およびその端
部11A,11Aに各コイル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）。

実施例５ 実施例１の変形例であり、一対の永久磁石2B,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。

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18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. 【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、非晶質磁性合金部片で形成
   した薄帯状の力学検出素子を、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。
3. 【請求項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. 【請求項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。