JPH0781920B2 - 力学量検出素子 - Google Patents

力学量検出素子

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JPH0781920B2
JPH0781920B2 JP4147987A JP4147987A JPH0781920B2 JP H0781920 B2 JPH0781920 B2 JP H0781920B2 JP 4147987 A JP4147987 A JP 4147987A JP 4147987 A JP4147987 A JP 4147987A JP H0781920 B2 JPH0781920 B2 JP H0781920B2
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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に関するもの
である。
従来技術 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(リボン)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。
発明が解決しようとする問題点 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
ないこともあいまって、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。
問題点を解決するための手段および作用 本発明の目的は、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ゆるやかなる力学量検出素子を提
供する点にある。
この目的は、正の磁歪を有する非晶質磁性合金で形成さ
れた薄帯の表面に被着によって引張り応力が生ずる傾向
のある被覆を施し、該被覆の被着関係により薄帯の少な
くとも一部に予め圧縮ひずみを与え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製薄帯に予め圧縮ひず
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、非晶質磁性合金で形成された
薄帯の表面に、被着によって引張り応力が生ずる傾向の
ある金属,有機質材料の被覆を施すのが簡単である。具
体的には、気相メッキ法(スパッタリング法,真空蒸着
法),電気メッキ法によって薄帯表面に金属被覆を形成
するか、融液状(または粘液状)の樹脂材(好ましくは
樹脂接着剤)を薄帯表面に塗布後硬化させ、薄帯に対す
る被覆の被着関係によって薄帯に圧縮ひずみを与える。
得られた力学量検出素子は、これを測定対象物に貼着し
て使用できる他、単体として、荷重検出装置,圧縮検出
装置等で好適にこれを使用することができる。
気相メッキ法,電気メッキ法によって基体表面に被覆を
施した場合、該被覆には大なり小なり内部応力が生じ
る。
電気メッキ法においては、光沢剤によって内部応力を調
整し得ることが知られている。例えば、ニッケルメッキ
浴における一次光沢剤は電着応力減少剤としての機能を
有し、被覆に圧縮応力を与え(基体には引張り応力が作
用する)、これに二次光沢剤を添加すると引張り応力
(基体には圧縮応力が作用する)の方へ電着応力が増加
する。
また、非晶質磁性合金と熱膨張(収縮)特性の異なる樹
脂被覆を非晶質磁性合金製薄帯の表面に付し、その被着
関係により相対的に薄帯の熱変形を封じて該薄帯に圧縮
ひずみを付与することができる。
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性薄帯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
塗布した薄帯を、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に加熱して
硬化させ、得られた被膜付き薄帯を、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。
薄帯に付す被覆は、その膜厚が増すほど内部応力が増大
するのであるから、薄帯に大きな圧縮ひずみを与えるに
は被覆厚さを大きくするのが有効である。ただし、その
厚さが或る程度大きくなると基体である薄帯から剥離し
易くなることに留意すべきである。この観点から、金属
メッキ被覆の膜厚は、これを10μm未満に抑えることが
推奨される。
試験例1 Fe81B13.5Si3.5C2の薄帯1,2,3(寸法:厚さ25μm,長
さ10cm,幅25mm)を用意した。
薄帯1には被覆を施さず、薄帯2,3の両面にはスパッ
タリング法によりそれぞれ銅被覆4,5を施した(第7
図)。被覆4の膜厚は500Å,被覆5の膜厚は800Åであ
った。スパッタリング条件は下記の通りである。
薄帯1,2,3を試片として、第8図に示す装置を用いて
応力−磁気特性を調べた。その結果を、応力−比透磁率
曲線として第9図に示す。
第8図において、6は、試片の上片を全幅に亘って把持
する懸吊具を示し、試片の下辺には、その全幅に亘って
把持具7が取着され、鉤8に係止される重錘9によって
試片に対して可変な引張り力が印加される。
また、試片の両側には、コイル(0.19mmφのフォルマル
銅線80T)10を設置し、1KHz,1.1Vの正弦波交流を与え、
インダクタンスをインピーダンス・アナライザーで求
め、これを比透磁率に関することにより得た。
この比透磁率は前述の如く、薄帯1,2,3に与えられる引
張り応力の大小によって変化する。それ故、逆に誘起電
圧を測定することにより、引張り力の大きさ(重錘9の
荷重)を知ることができる。
第9図の応力−比透磁率曲線は、薄帯1,2,3につき、重
錘9の荷重を変化させ、荷重の大きさを比透磁率の変化
として捉えたものである。
<試験結果の評価> 薄帯1の特性曲線と、薄帯2,3の特性曲線とを対比す
れば、薄帯表面にスパッタリング法による銅被覆を施す
のが有効であることが判る。すなわち、第6図の曲線C
と同様に、直線範囲の拡大された曲線が得られる。
薄帯2,3の特性曲線を対比すると、銅被覆の薄厚は大
きい方が効果的であり、膜圧が増大すると曲線が右方へ
移動し、応力検出範囲Iが増大する(I2<I3)こと判
る。銅被覆の膜厚が増大すると、それ自身の内部応力が
増大することは明らかであって、この内部応力が薄帯の
圧縮ひずみ量を増大せしめ、(銅被覆には引張り応力が
生じることに留意すべきである)特性曲線の右方への移
動を招来するものと考えられる。
なお、特性曲線の直線性が優れていることは、演算用補
助機器が不要になることを意味している。
試験例2 単ロール法によりアライド社製Metglas2605SC(商品
名)で形成した非晶質磁性合金製薄帯(寸法400mm×7mm
×25μm)を用意した。
該薄帯の片面全面に、チバガイギー社製エポキシ計樹
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、温度150℃の恒温槽中に装入して
樹脂接着剤を硬化させた後、これを恒温槽から取り出し
て放冷した。
次に、第3図図示の場合と同様にして、得られた試験
片の応力−磁気特性(応力−出力(電圧V))を調べ
た。その結果を第10図に示す。
<試験結果の評価> 第10図の曲線形状は、第6図に示した曲線cとほぼ一致
しており、曲線a(第4図参照)と対比するならば圧縮
ひずみの付与が極めて有効であることが判る。
発明の効果 以上の説明から明らかな様に、正の磁歪を有する非晶質
磁性合金で形成された薄帯の表面に被着によって引張り
応力が生ずる傾向のある被覆を施し、該被覆の被着関係
により薄帯の少なくとも一部に予め圧縮ひずみを付与し
てなる力学量検出素子が提案された。
本発明の力学量検出素子は、予め圧縮ひずみが付与され
ていない非晶質磁性合金部片(力学量検出素子)に比し
て応力−磁気特性が改善され、力学量検出可能範囲が拡
大されているため、応用範囲が広い。
また、本発明の力学量検出素子は、薄帯の表面に被覆を
施したものであるから、特に該被覆材が銅,金,合成樹
脂である場合に耐蝕性の向上を期待できる。
さらに、本発明の力学量検出素子においては、薄帯の片
面だけでなく両面に被覆を施すことにより、薄帯に付与
する圧縮ひずみ量を増大させることができ、用途に応じ
た特性を有する力学量検出素子を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
第1図,第2図は非晶質磁性合金製薄帯を軸の周囲に接
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図は被覆を施さない試験片としての非晶質磁性
合金製薄帯および被覆を施した試験片としての非晶質磁
性合金製薄帯の要部断面図、第8図は力学量検出素子の
応力−磁気特性を調べるための装置を示す図、第9図は
公知に係る力学量検出素子および本発明の力学量検出素
子の応力−比透磁率特性を示すグラフ、第10図は圧縮ひ
ずみを付与された前記非晶質磁性合金(アライド社製Me
tglas2605SC)製薄帯の応力−磁気特性を示すグラフで
ある。 1,2,3……薄帯、4,5……銅被覆、6……懸吊具、7……
把持具、8……鉤、9……重錘、10……コイル。

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力学量検出素子において、 非晶質磁性合金で形成された薄帯の表面に被着によって
    引張り応力が生ずる傾向のある被覆を施してなり、該被
    覆の被着関係により薄帯の少なくとも一部に予め圧縮ひ
    ずみを付与していることを特徴とする力学量検出素子。
  2. 【請求項2】前記被覆を薄帯の両面に施してなる特許請
    求の範囲第1項に記載された力学量検出素子。
  3. 【請求項3】前記被覆が、銅,金,その他の純金属膜,
    または合金膜であることを特徴とする特許請求の範囲第
    1項に記載された力学量検出素子。
  4. 【請求項4】前記被覆が、気相メッキ法によって形成さ
    れた純金属膜または合金膜であることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項に記載された力学量検出素子。
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