JPH11118629A - 磁歪式歪センサ - Google Patents
磁歪式歪センサInfo
- Publication number
- JPH11118629A JPH11118629A JP29356497A JP29356497A JPH11118629A JP H11118629 A JPH11118629 A JP H11118629A JP 29356497 A JP29356497 A JP 29356497A JP 29356497 A JP29356497 A JP 29356497A JP H11118629 A JPH11118629 A JP H11118629A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic film
- strain sensor
- change
- magnetic
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 使用環境の温度変化が大きいとセンサ特性が
経時変化を起こさないようにする。 【解決手段】軸１の所定位置外周表面に逆磁歪効果を有
する磁性膜２を形成し、磁性膜２に近接させて励磁コイ
ル３および検出コイル４とを配置し、軸１に伝わる歪み
により軸表面に発生する歪を磁性膜２の透磁率変化に対
応して変わるコイルのインピーダンス変化を測定して歪
を検出する磁歪式歪センサにおいて、磁性膜２の真応力
が＋３ｋｇｆ／ｍｍ2 〜−３ｋｇｆ／ｍｍ2 の値に調整
されている磁性膜２を使用するようにした。したがっ
て、経時変化を生じない逆磁歪効果を有する磁性膜を得
ることができる。
経時変化を起こさないようにする。 【解決手段】軸１の所定位置外周表面に逆磁歪効果を有
する磁性膜２を形成し、磁性膜２に近接させて励磁コイ
ル３および検出コイル４とを配置し、軸１に伝わる歪み
により軸表面に発生する歪を磁性膜２の透磁率変化に対
応して変わるコイルのインピーダンス変化を測定して歪
を検出する磁歪式歪センサにおいて、磁性膜２の真応力
が＋３ｋｇｆ／ｍｍ2 〜−３ｋｇｆ／ｍｍ2 の値に調整
されている磁性膜２を使用するようにした。したがっ
て、経時変化を生じない逆磁歪効果を有する磁性膜を得
ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は磁性体の逆磁歪効果
を利用した磁歪式歪センサ、例えば、モータのトルク、
液体の圧力や電線の張力を測定するための磁歪式歪セン
サに関するものである。
を利用した磁歪式歪センサ、例えば、モータのトルク、
液体の圧力や電線の張力を測定するための磁歪式歪セン
サに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】回転駆動系を有するロボットやマニプレ
ータおよび工作機械などの制御に非接触小型トルクセン
サが要求されている。このようなトルクセンサとしては
本発明の構成の図１と同じように構成している。回転軸
１としてはマルエージング鋼やステンレス鋼などが使用
される。回転軸１がＳＵＳ３０４ステンレス鋼のように
非磁性材料の場合はその表面に磁性膜２（Ｎｉ−Ｆｅパ
ーマロイ膜）などがスパッタ法などで形成される。マル
エージング鋼の場合も高感度センサを構成する場合はそ
の表面にパーマロイ膜などが形成されて使用される。回
転軸１にトルクが印加されると回転軸１の表面に形成さ
れている磁性膜２に歪が加わり磁気特性が変化する。こ
の磁気特性の変化を回転軸１の周囲に巻いている励磁コ
イル３によりインピーダンス変化として検出コイル４で
検出し、トルクに換算する。前記軸１に形成する磁性膜
２については種々の磁性材料があげられるが、保持力が
低くて、膜の強度が大きく磁歪定数の大きい組成からな
るパーマロイが望ましい。具体的には５０％〜７５％Ｎ
ｉ−Ｆｅパーマロイもしくは８５％〜９５％パーマロイ
である。また、その製造法としては組成や膜厚の再現性
が良いスパッタ法が好ましい。送電線や電車線の張力を
測定する試みが進められている。例えば、送電線に雪が
つもり、その重さが増すと電線が荷重に耐えきらなくな
り、断線にいたる。従って、電線の張力を監視して、事
故を未然に防ぐ試みが進められている。張力センサの構
成例を図２に示す。非磁性ステンレスよりなる軸１の外
周にＮｉ−Ｆｅ合金膜５が形成されている。張力変化に
基づく合成膜５の変化を励磁コイル３によるインピーダ
ンス変化を検出コイル４で磁気特性の変化としてとら
え、張力に換算する。
ータおよび工作機械などの制御に非接触小型トルクセン
サが要求されている。このようなトルクセンサとしては
本発明の構成の図１と同じように構成している。回転軸
１としてはマルエージング鋼やステンレス鋼などが使用
される。回転軸１がＳＵＳ３０４ステンレス鋼のように
非磁性材料の場合はその表面に磁性膜２（Ｎｉ−Ｆｅパ
ーマロイ膜）などがスパッタ法などで形成される。マル
エージング鋼の場合も高感度センサを構成する場合はそ
の表面にパーマロイ膜などが形成されて使用される。回
転軸１にトルクが印加されると回転軸１の表面に形成さ
れている磁性膜２に歪が加わり磁気特性が変化する。こ
の磁気特性の変化を回転軸１の周囲に巻いている励磁コ
イル３によりインピーダンス変化として検出コイル４で
検出し、トルクに換算する。前記軸１に形成する磁性膜
２については種々の磁性材料があげられるが、保持力が
低くて、膜の強度が大きく磁歪定数の大きい組成からな
るパーマロイが望ましい。具体的には５０％〜７５％Ｎ
ｉ−Ｆｅパーマロイもしくは８５％〜９５％パーマロイ
である。また、その製造法としては組成や膜厚の再現性
が良いスパッタ法が好ましい。送電線や電車線の張力を
測定する試みが進められている。例えば、送電線に雪が
つもり、その重さが増すと電線が荷重に耐えきらなくな
り、断線にいたる。従って、電線の張力を監視して、事
故を未然に防ぐ試みが進められている。張力センサの構
成例を図２に示す。非磁性ステンレスよりなる軸１の外
周にＮｉ−Ｆｅ合金膜５が形成されている。張力変化に
基づく合成膜５の変化を励磁コイル３によるインピーダ
ンス変化を検出コイル４で磁気特性の変化としてとら
え、張力に換算する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、スパッタ法
により作製したパーマロイ膜を歪センサとして使用した
場合、使用環境の温度変化が大きいとセンサ特性が経時
変化を起こすことが分かった。歪センサを温度変化が激
しい環境で使用すると、磁性膜２と軸１との熱膨張係数
差により磁性膜２に歪がかかる。磁性膜２に真応力が残
留していると磁性膜２にかかる応力によりこの真応力が
変化する。真応力とはスパッタ法などの真空技術を利用
した膜形成法で作製した磁性膜２に特に現れるもので、
スパッタ膜形成時に膜内に取り込まれるガス、磁性膜２
の結晶のわずかな乱れなどに起因する。従って、長期的
にみた場合、繰り返し熱応力などの外部要因により微妙
に変化を起こすものである。この真応力を小さくすれば
歪センサの経時変化は小さくなる。そこで、本発明は、
経時変化を生じない逆磁歪効果を有する磁性膜からなる
歪センサを得ることを目的するものである。
により作製したパーマロイ膜を歪センサとして使用した
場合、使用環境の温度変化が大きいとセンサ特性が経時
変化を起こすことが分かった。歪センサを温度変化が激
しい環境で使用すると、磁性膜２と軸１との熱膨張係数
差により磁性膜２に歪がかかる。磁性膜２に真応力が残
留していると磁性膜２にかかる応力によりこの真応力が
変化する。真応力とはスパッタ法などの真空技術を利用
した膜形成法で作製した磁性膜２に特に現れるもので、
スパッタ膜形成時に膜内に取り込まれるガス、磁性膜２
の結晶のわずかな乱れなどに起因する。従って、長期的
にみた場合、繰り返し熱応力などの外部要因により微妙
に変化を起こすものである。この真応力を小さくすれば
歪センサの経時変化は小さくなる。そこで、本発明は、
経時変化を生じない逆磁歪効果を有する磁性膜からなる
歪センサを得ることを目的するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明は、軸の所定位置外周表面に逆磁歪効果を有
する磁性膜を形成し、前記磁性膜に近接させて励磁コイ
ルおよび検出コイルを配置し、前記軸に伝わる歪みによ
り軸表面に発生する歪を前記磁性膜の透磁率変化に対応
して変わる前記コイルのインピーダンス変化を測定して
歪を検出する磁歪式歪センサにおいて、前記磁性膜の真
応力が＋３ｋｇｆ／ｍｍ2 〜−３ｋｇｆ／ｍｍ2 の値に
調整されている磁性膜を使用している。
め、本発明は、軸の所定位置外周表面に逆磁歪効果を有
する磁性膜を形成し、前記磁性膜に近接させて励磁コイ
ルおよび検出コイルを配置し、前記軸に伝わる歪みによ
り軸表面に発生する歪を前記磁性膜の透磁率変化に対応
して変わる前記コイルのインピーダンス変化を測定して
歪を検出する磁歪式歪センサにおいて、前記磁性膜の真
応力が＋３ｋｇｆ／ｍｍ2 〜−３ｋｇｆ／ｍｍ2 の値に
調整されている磁性膜を使用している。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図に基づ
いて説明する。図１は磁歪式トルクセンサの構成図であ
る。図２は磁歪式張力センサの構成図である。図におい
て、１は直径３０ｍｍのシャフトで、材料はＴｉもしく
はＳＵＳ３０４ステンレスシャフトからなる軸を洗浄し
た後、スパッタ法でその表面に厚さ５μｍの５５％Ｎｉ
−Ｆｅ膜をＴｉシャフト上に、９０％Ｎｉ−Ｆｅ膜をＳ
ＵＳ３０４シャフト上に被覆した。膜形成時の軸の温度
は４００°Ｃとした。一方、Ｔｉ合金シャフトと同じ熱
膨張係数を有するソーダライムガラス（５×１０ｍｍ、
厚さ１ｍｍ）、ＳＵＳ３０４シャフトと同じ熱膨張係数
を有するＳＵＳ３０４薄板（５×１０ｍｍ、厚さ１ｍ
ｍ）上も同じ厚さの磁性膜２あるいは合成膜５を形成し
た。この試料を５００°Ｃで種々の時間条件で熱処理し
たのち、曲がり測定法（例えば小林、細川：薄膜技術入
門、ｐ１４９、総合電子出版社）で膜に残っている真応
力を測定した。次に、この曲がり測定法を参考にして両
材質のシャフト試料に付いて、種々の真応力が残る条件
で熱処理を行った試料を作製した。引き続き、この試料
を−１５〜＋５０°Ｃのヒートサイクルを加えたヒート
サイクル回数５０回後の張力と出力の関係を測定し出力
変化率を調べた。特性測定は試料の磁性膜２あるいは合
成膜５の周辺に２００ターンの励磁コイル３と４００タ
ーンの検出コイル４を配置し行った。下表の結果で分か
るように真応力が小さいと経時変化が少ないことが分か
る。真応力が＋３ｋｇｆ／ｍｍ2 〜−３ｋｇｆ／ｍｍ2
の値の範囲を越えると、経時変化が大きくなることが分
かった。実施例では真応力除去に熱処理を使用したが、
超音波の印加により除去する方法やスパッタ時に同時熱
処理する方法などがある。また、実施例では磁性膜２あ
るいは合成膜５としてパーマロイだけしか取り上げなか
ったが、他の磁性膜２あるいは合成膜５でも真応力が起
因しているので同じ結果になることは明らかである。さ
らに、出力の検出は磁気ヘッドで検出してもよい。
いて説明する。図１は磁歪式トルクセンサの構成図であ
る。図２は磁歪式張力センサの構成図である。図におい
て、１は直径３０ｍｍのシャフトで、材料はＴｉもしく
はＳＵＳ３０４ステンレスシャフトからなる軸を洗浄し
た後、スパッタ法でその表面に厚さ５μｍの５５％Ｎｉ
−Ｆｅ膜をＴｉシャフト上に、９０％Ｎｉ−Ｆｅ膜をＳ
ＵＳ３０４シャフト上に被覆した。膜形成時の軸の温度
は４００°Ｃとした。一方、Ｔｉ合金シャフトと同じ熱
膨張係数を有するソーダライムガラス（５×１０ｍｍ、
厚さ１ｍｍ）、ＳＵＳ３０４シャフトと同じ熱膨張係数
を有するＳＵＳ３０４薄板（５×１０ｍｍ、厚さ１ｍ
ｍ）上も同じ厚さの磁性膜２あるいは合成膜５を形成し
た。この試料を５００°Ｃで種々の時間条件で熱処理し
たのち、曲がり測定法（例えば小林、細川：薄膜技術入
門、ｐ１４９、総合電子出版社）で膜に残っている真応
力を測定した。次に、この曲がり測定法を参考にして両
材質のシャフト試料に付いて、種々の真応力が残る条件
で熱処理を行った試料を作製した。引き続き、この試料
を−１５〜＋５０°Ｃのヒートサイクルを加えたヒート
サイクル回数５０回後の張力と出力の関係を測定し出力
変化率を調べた。特性測定は試料の磁性膜２あるいは合
成膜５の周辺に２００ターンの励磁コイル３と４００タ
ーンの検出コイル４を配置し行った。下表の結果で分か
るように真応力が小さいと経時変化が少ないことが分か
る。真応力が＋３ｋｇｆ／ｍｍ2 〜−３ｋｇｆ／ｍｍ2
の値の範囲を越えると、経時変化が大きくなることが分
かった。実施例では真応力除去に熱処理を使用したが、
超音波の印加により除去する方法やスパッタ時に同時熱
処理する方法などがある。また、実施例では磁性膜２あ
るいは合成膜５としてパーマロイだけしか取り上げなか
ったが、他の磁性膜２あるいは合成膜５でも真応力が起
因しているので同じ結果になることは明らかである。さ
らに、出力の検出は磁気ヘッドで検出してもよい。
【０００６】
【表１】
【０００７】
【発明の効果】以上述べたように本発明による磁歪式歪
センサは長時間使用しても経時変化を生じないので、信
頼性の高い歪センサを構成できる。トルク、張力等の測
定が必要な機器の高度化に寄与できる。
センサは長時間使用しても経時変化を生じないので、信
頼性の高い歪センサを構成できる。トルク、張力等の測
定が必要な機器の高度化に寄与できる。
【図１】 本発明の磁歪式トルクセンサの構成図であ
る。
る。
【図２】 本発明の磁歪式張力センサの構成図である。
１ 軸、 ２ 磁性膜、 ３ 励磁コイル、 ４ 検出
コイル、５ 合成膜
コイル、５ 合成膜
Claims (5)
- 【請求項１】 軸の外周表面に逆磁歪効果を有する磁性
膜を形成し、前記磁性膜に近接させて励磁コイルおよび
検出コイルを配置し、前記軸に生じる歪みにより軸表面
に発生する歪を前記磁性膜の透磁率変化に対応して変わ
る前記コイルのインピーダンス変化を測定して歪を検出
する磁歪式歪センサにおいて、 前記磁性膜の真応力が＋３ｋｇｆ／ｍｍ2 〜−３ｋｇｆ
／ｍｍ2 の値に調整されていることを特徴とする磁歪式
歪センサ。 - 【請求項２】 前記軸がＳＵＳ３０４ステンレスである
ことを特徴とする請求項１記載の磁歪式歪センサ。 - 【請求項３】 前記磁性膜がパーマロイであることを特
徴とする請求項１または２記載の磁歪式歪センサ。 - 【請求項４】 前記インピーダンス変化の検出を磁気ヘ
ッドで行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至３
記載の磁歪式歪センサ。 - 【請求項５】 前記インピーダンス変化の検出を前記磁
性膜の外周に同心円に配置した励磁コイルおよび検出コ
イルで行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至４
記載の磁歪式歪センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29356497A JPH11118629A (ja) | 1997-10-09 | 1997-10-09 | 磁歪式歪センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29356497A JPH11118629A (ja) | 1997-10-09 | 1997-10-09 | 磁歪式歪センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11118629A true JPH11118629A (ja) | 1999-04-30 |
Family
ID=17796388
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29356497A Abandoned JPH11118629A (ja) | 1997-10-09 | 1997-10-09 | 磁歪式歪センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11118629A (ja) |
-
1997
- 1997-10-09 JP JP29356497A patent/JPH11118629A/ja not_active Abandoned
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20040910 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
|
| A762 | Written abandonment of application |
Effective date: 20060330 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A762 |