JP4569764B2 - 応力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば各種機械部品に働く応力の検出技術に係わり、さらに具体的には、磁歪の逆効果を利用して、磁歪を有する部材に作用する応力を検出することができる応力検出装置に関するものである。また、回転軸等において、非接触にても応力を検出を可能にする応力検出装置に関するものである。

例えば、自動車における足回りの軸力を、廉価で、ロバスト性に優れたセンサによって検知することができれば、新たな車輌制御の実現につながる可能性があるため、廉価で小型な応力センサの潜在的な要望は少なくないものと考えられる。しかし、そのようなセンサの候補が見当たらないのが現状である。

弾性を有する部材にかかる応力を検出する方法としては、歪ゲージを貼る方法が一般によく知られているが、自動車等の足回りのリンクの軸力（引張、圧縮力）をモニターするためには、ロバスト性が要求されることから、歪ゲージによる方法は適しているとは言えない。
一方、応力センサとして、磁歪を利用したセンサの提案がなされているが、実用化されているものはないようである（例えば、非特許文献１参照）。
Ｉ．Ｊ．Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ：ＳＡＥ，Ｐａｐｅｒ Ｎｏ．９１０８５６，１９９１

すなわち、図１０は、上記非特許文献１により提案されている磁歪の逆効果を利用した応力センサの説明図であって、図１０（ａ）において、ＰＭは永久磁石、ＦＳは磁気センサであり、中央に位置するコアは磁歪を有している。永久磁石ＰＭはコアを矢印で示す方向に磁化する。永久磁石ＰＭの磁束は図のように分布し、コアをも通っている。
コアに引張応力が働くと、永久磁石ＰＭからの磁束がコアをより多く通るようになるために、磁気センサＦＳを通過する磁束が減少する。一方、コアに圧縮応力が作用すると、磁束はコアを通り難くなるため、センサＦＳを通過する磁束が増加する。このようにして、磁気センサＦＳからの信号の大きさはコアに働く応力の大きさを反映することになる。

以上が提案されている応力センサの原理であり、磁束を発生させるのに電源がいらない点が特徴である。上記磁気センサＦＳの位置としては、図１０（ｃ）に示されているように、Ａ又はＢの位置でもよいことが述べられている。
引張応力と圧縮応力では、磁気センサＦＳの信号の変化の仕方は、圧縮の方が大きく、そのセンサの定格の範囲において、圧縮にて３０から８０％の変化があることがデータで示されている。

しかしながら、上記提案においては、パイプ状のコアの中に円筒状のアルニコ磁石を配置し、パイプの表面に、ホール素子を置いてデータが取られており、原理確認段階の域にあり、上記したように、実用化段階の提案とは言えない。

本発明は、従来の応力センサにおける上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、磁歪の逆効果を利用した応力センサを実用化し、ロバスト性に優れた、廉価な応力検出装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討した結果、表面に多数の平行溝を設けた軸材を周方向着磁すると、溝間の山部が長手方向に着磁されると共に、このような軸材が応力センサとして使用することによって、良好なセンサ特性が得られることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の応力検出装置は、着磁された第１の磁性体と、磁歪を有する第２の磁性体と、この第２の磁性体に応力が作用することによって、第１の磁性体から発生し第２の磁性体を通ることなく第２の磁性体外の空間に流れる空間磁束が変化するのを検知する空間磁束検出手段を備えたものであって、上記第１の磁性体が第２の磁性体に一体化されて第２の磁性体の一部を成し、第２の磁性体の長手方向に対して０度以上９０度未満の角度を成す複数の溝又は突条部を平行に形成して成る帯状の凹凸部であって、当該凹凸部の溝間部分又は突条部がその長手方向に着磁されていることを特徴としている。

着磁された第１の磁性体と磁歪を有する第２の磁性体を接近させて配置すると、第１の磁性体から出ている磁束が第２の磁性体を通る内部磁束と、この第２の磁性体外の空間に流れる空間磁束と分配されて流れ、第２の磁性体に応力が働くと、第２の磁性体を通る内部磁束の量が変化し、その結果上記空間を流れる空間磁束の量が変化するので、この空間磁束の変化を磁気センサなどの空間磁束検出手段、さらに具体的には、ホール素子やホールＩＣなどによって検知することによって、上記第２の磁性体に作用する応力を検出することができる。
本発明によれば、第１の磁性体と第２の磁性体を一体化するようにしているので、部品点数の少ないコンパクトで安価な装置が実現できる。特に、第２の磁性体を軸状のものとすることによって、回転状態における応力検出も可能となってその有用性を飛躍的に向上させることができる。

以下、本発明の応力検出装置について、その実施の具体的形態と共にさらに詳細に説明する。

本発明の応力検出装置は、基本的に、上記第１の磁性体と第２の磁性体を一体化し、第１の磁性体が第２の磁性体の一部を成しているものを使用するが、このような第２の磁性体を軸状のものとすることも可能である。

すなわち、本発明の応力検出装置は、例えば図１（ａ）に示すような構造を有し、磁歪を有する軸１（第２の磁性体）を備え、軸１の図中央部には、当該軸１の中心軸方向に対して４５度をなす複数の溝２ａが平行に形成してあり、これら溝２ａとこれらの間に残存する溝間部分が山部２ｂとなり、これら溝２ａと山部２ｂとによって凹凸部２が帯状に形成されている。
なお、図において溝２ａは、４５度の螺旋状であるからして、正確にはＳ字状に表されるべきものであるが、作図の便宜上、概略的に直線として表してある。

上記軸１に、図１（ｂ）に示すように、図中の右側から大電流を流すと、軸１は、図中に矢印で示すように、周方向に着磁される。ところが、凹凸部２においては、溝２ａがあるため（空間なので）、山部２ｂは周方向に着磁されることなく、山部２ｂの長手方向、すなわち軸方向に対して４５度方向に着磁される。
つまり、軸１の周方向に着磁すると、山部２ｂの側面に極が現われるため、反磁場が発生し、磁化方向が山部２ｂの長手方向に向くためである（形状効果、あるいは形状磁気異方性）。したがって、山部２ｂにおける着磁状態は、図１（ｃ）に示すようなものとなり、当該山部２ｂが第１の磁性体として機能することになる。

図１（ａ）において、符号３は、空間磁束検出手段としての磁気センサであって、具体的にはホールセンサが用いられる。
磁気センサ３としては、上記したホールセンサの他には、省電力で小型なホールＩＣやＭＩセンサなどを使用することができるが、検出感度を大きくする観点から、図に示すように、凹凸部２の端部に近い位置に配置することによって、径方向の磁束を検知するようになすことが望ましい（図２参照）。なお、ここでいうホールＩＣは、リニア出力タイプのものである。

図２は、凹凸部２の山部２ｂを長手方法に切った断面を示し、山部２ｂは図の矢印のように磁化（着磁）していており、磁束は軸内部と軸外の空間に漏れている。
なお、図１（ｃ）に示す「＋」はＮ極を、「−」はＳ極が現われていることを示している。

上記軸１に、軸方向の引張応力が働くと、軸１を通る磁束が増える（磁束が軸の内部を通り易くなる）から、外に漏れる空間磁束が減り、したがって磁気センサ３を通過する磁束が減ることになる。なお、これは、磁歪が正の場合の説明であって（以下、同様とする）、磁歪が負の場合は逆となる。
一方、軸１に圧縮応力が働くと、軸１を通る磁束が減る（磁束が軸の内部を通り難くなる）ことから、外に漏れる空間磁束が増え、磁気センサ３を通過する磁束が増える。したがって、応力に対応した磁気センサ３の信号が得られることになる。

このような構造を有する本発明の応力検出装置においては、磁気センサ３を軸１に接触させる必要がないので、非接触状態で、軸力（引張、圧縮応力）の検知が可能である。
また、応力が作用する第２の磁性体を軸状のものとしたことによって、回転状態での軸力（引張、圧縮応力）の測定も可能となる。

磁気センサ３の裏側（反軸側）には、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、珪素鋼板、電磁軟鉄、ソフトフェライト、パーマロイなど、保磁力の小さいソフト磁性材料から成るヨーク５を配設することもできる。
このようなヨーク５を用いることによって、外部からの電磁雑音に対して耐性が向上することになると共に、磁気センサ３の信号の大きさを倍程度に増やすことが可能となる。

また、図４に示すように、２個の磁気センサ３及び４を使用することもできる。すなわち、上記磁気センサ３に加えて第２の磁気センサ４を軸方向に並べ、これらを上記凹凸部２の両端近傍位置にそれぞれ配置することが望ましい。この場合、第２の磁気センサ４については、センサ感度のセンスが逆になるので、減算することによって２つのセンサ信号が加算されて２倍にすることができる。
このように２個のセンサ３，４を配置することによって、外部からのほぼ一様な磁場が印加されても、同相の入力となるから、引き算でキャンセルすることができ、外乱に対する耐性が向上する。

そして、図５に示すように、溝部２ａの傾斜方向を相反するようにした凹凸部２を軸１の２箇所に接近させて配置するようになすこともでき、この場合、磁気センサ３の信号の大きさを倍にすることができる。

さらに、以上の説明からも明らかなように、上記凹凸部２における溝２ａの角度は、必ずしも４５度である必要はなく、図６に示すように任意の角度をとることができる。
また、凹凸部２には、溝２ａを形成する代りに、図７に示すように、軸１の表面に螺旋状の突条部２ｃを形成して、はす歯歯車のような形状とすることも可能である。この場合にはこの突条部２ｃがその長手方向に沿って着磁されることになる（第１の磁性体）。

なお、上記説明においては、磁歪を有する第２の磁性体として、軸状を成すものを用いた例を示したが、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、板状の磁性体１０であっても応力検出装置として機能することは言うまでもない。
図に示すように、溝２ａを平行に形成した状態で、図中の矢印方向に大電流を流して、着磁することによって、溝間部分２ｂが着磁され、当該応力検出装置における第１の磁性体として機能する。

磁歪を有する第２の磁性体の材料としては、着磁部を一体で保有する関係もあり、着磁状態を安定的に保つことが望まれる。
したがって、このような磁性材料としては、析出硬化処理や焼入・焼戻しなどの熱処理を施した鋼、浸炭、表面窒化、高周波焼入・焼戻しといった表面処理を施した鋼が好適である。これら鋼は、一般に、２０から数十Ｏｅ程度の保磁力を有するからである。

また、応力に対するヒステリシスは少ないことが望まれるので、上記材料は適切な工程を経る必要がある。すなわち、機械加工後、熱処理工程を入れたり、熱処理後、不均一な残留応力が入らないように機械加工を行なったりすることが望ましい。なお、塑性変形を引き起こすような大きな応力が加わると、不均一な残留応力分布をもたらし、ヒステリシスの増大につながるので、塑性加工は避けるべきである。
周方向に着磁することも、有効な手段と言うことができる。すなわち、周方向に向いている磁化が多いことが、ヒステリシス低減に効いているものと考えられる。また、周方向に着磁することのメリットは、引張、圧縮の感度が同じようになることである（応力磁気効果は、一般的には圧縮の方が大きい）。この理由も同じであるものと推定される。

なお、軸材に通電すると、電流密度が一様な場合には、周方向磁界の大きさは、軸内では半径に比例した大きさになり、軸外では、中心からの距離に反比例して減衰する。
一般に、軸材料の持つ保磁力の大きさの２倍以上の磁界がかかった部分が概ね着磁されることになる。したがって、十分な大きさの電流を流した場合、表面を含めた円筒領域においては、確実に周方向に着磁されることになる。なお、溝付軸の場合、溝底部分は周方向に着磁されている。

また、第２の磁性体に負荷される応力が大きい方が出力信号が大きくなるので、軸の場合には中空軸とした方が感度の増大には好都合である。なお、溝部を設けた場合には、溝底径が、応力を決めているので、その分、感度の増大を図ることができる。

なお、上記の例では、着磁を通電で行なっているが、要は山部（溝間部分）がその長手方向に着磁されていればよいので、別の手段で着磁することも可能である。
図７に示したように突状部２ｃを形成した場合などは、特に突状部のみを着磁すること（突条部のみに長手方向に着磁を残すこと）が容易となる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。

（実施例１）
第２の磁性体の材料として、マルエージング鋼（日立金属（株）製商品名ＹＡＧ３００、１８％Ｎｉ−９％Ｃｏ−５％Ｍｏ−Ｆｅ）を用いて、図５に示すように、軸径Ｄ＝１９ｍｍの軸１を機械加工によって作製した。
次に、１ｍｍ径のエンドミルを用いて、上記軸１の２個所に、軸方向に４５度方向に傾いた溝２ａを周方向に２０本、１ｍｍ幅、１．５ｍｍ深さに形成し、凹凸部２，２とした。なお、２０本の螺旋溝２ａが形成された凹凸部２，２の幅は、それぞれ１１ｍｍとした（エンドミルのセンター間の距離は１０ｍｍ）。なお、両凹凸部２，２の間の距離は１ｍｍであった（エンドミルのセンター間距離は２ｍｍ）。

これら機械加工の後、固溶化および時効熱処理を施した。固溶化処理は真空中にて８２０℃×１ｈ、時効処理は真空中にて４９０℃×５ｈ保持し、その後空冷した。
次いで、得られた軸１に１００００Ａの電流を通じることによって着磁した。

そして、図５に示すように、凹凸部２，２の中間位置に、ホールセンサ３を配置し、軸１に引張及び圧縮応力を印加した時のホールセンサ３の出力を調べた。その結果を図９に示す。なお、ホールセンサ３の感磁エリアは約２ｍｍ^２であり、エリアの中心位置を軸１の表面から約０．５ｍｍとした。ホールセンサ３は径方向の磁界を検知することになる。
ホールセンサ３の出力は引張応力により減少、圧縮応力によって増加し、±４０ＭＰａの応力負荷に対して、ヒステリシスのほとんどない特性が得られることが確認された。

なお、応力０におけるデータがないが、これは当該実施例に用いた試験機の都合による。すなわち、引張応力と圧縮応力を連続的に負荷するようにした当該試験機においては、ガタが発生して、連続的な出力が取れなかったことによるものであって、ガタの発生が防止できるように装置に工夫を加えることによって解消できるものと考えられる。
また、応力負荷範囲が狭いが、これも試験機の都合によるもので、容量の大きな試験機を用いれば、応力範囲を容易に拡大することができる。

磁歪の逆効果を用いた応力センサの場合には、軸１がミクロな降伏を起こすとヒステリシスが現われてしまうことから、負荷応力が軸１を構成する磁性材料の降伏応力の半分程度以下であれば、再現性のよい特性が得られることになる。
当該実施例においては、軸１の材料として用いた上記マルエージング鋼の降伏応力は２ＧＰａを超えることから、少なくとも１ＧＰａ程度までは、十分に再現性の良いデータが得られるものと考えられる。

（実施例２）
第２の磁性体の材料として、上記マルエージング鋼を使用して、上記同様に、軸径Ｄ＝１９ｍｍの軸１を機械加工によって作製した。
次に、実施例１と同様に軸方向に４５度傾いた２０本の溝２ａを備えた凹凸部２を、図１に示すように、上記軸１の１個所に形成し、同様の熱処理を施し、さらに１００００Ａの通電による着磁を実施した。

そして、図１に示す位置にホールセンサ３を配置し、軸１に応力を負荷した時のホールセンサ３からの出力を同様に調査した。その結果、±４０ＭＰａの応力負荷に対して、ヒステリシスのほとんどない特性が得られることが確認された。なお、感度は、図９に示した実施例の場合の半分程度であった。

（実施例３）
軸１の材料として、ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定される機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃを用いると共に、熱処理として高周波焼入れを施し、次いで１７０℃×１時間の焼戻し処理を行ったこと以外は、上記実施例２と同じ操作を繰り返すことによって得られた軸１を用いて、同様の条件のもとにホールセンサ３の出力特性を同様に調査した。
なお、上記熱処理の狙いとしては、焼戻し後の表面硬さをＨＲＣ５０以上、ＨＲＣ４５以上となる有効硬化層深さを０．８ｍｍ狙いとし、焼き戻し後の表面硬さ及び硬化層深さは、狙い条件を満足していた。

上記の結果、ヒステリシスのほとんどない特性が得られた。なお、感度としては、若干劣るレベルであることが確認された。

（ａ）本発明による応力検出装置の実施形態の一例を示す説明図である。（ｂ）軸方向に通電したときの着磁方向を示す説明図である。（ｃ）凹凸部の溝間部分における着磁状態を示す拡大説明図である。 凹凸部の溝間部分における着磁状態を示す断面説明図である。 磁気センサの背後にヨークを配設した他の実施形態を示す正面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 磁気センサを２個配設した実施形態例を示す説明図である。 凹凸部を軸の２個所に形成した実施形態例を示す説明図である。 凹凸部における溝の傾斜角度が異なる実施形態例を示す説明図である。 凹凸部の溝に代えて突条部を形成した実施形態例を示す説明図である。 軸状磁性体に代えて板状磁性体を用いた実施形態例を示す説明図である。 本発明の実施例１によって得られた出力特性データを示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は従来の応力センサの構造及び原理を示す説明図である。

符号の説明

１ 軸（第２の磁性体）
２ 凹凸部
２ａ 溝
２ｂ 山部（溝間部分：第１の磁性体）
２ｃ 突条部（第１の磁性体）
３，４ 磁気センサ（空間磁束検出手段）
５ ヨーク

Claims (14)

1. 着磁された第１の磁性体と、磁歪を有する第２の磁性体と、この第２の磁性体に応力が作用することによって、第１の磁性体から発生し第２の磁性体を通ることなく第２の磁性体外の空間に流れる空間磁束が変化するのを検知する空間磁束検出手段を備え、
   上記第１の磁性体が第２の磁性体に一体化されて第２の磁性体の一部を成し、第２の磁性体の長手方向に対して０度以上９０度未満の角度を成す複数の溝又は突条部を平行に形成して成る帯状の凹凸部であって、当該凹凸部の溝間部分又は突条部がその長手方向に着磁されていることを特徴とする応力検出装置。
2. 上記第２の磁性体が軸状を成し、上記溝又は突条部が軸方向に対して上記角度を成していることを特徴とする請求項１に記載の応力検出装置。
3. 上記溝又は突条部が軸方向に対して４５度の角度を成していることを特徴とする請求項２に記載の応力検出装置。
4. 軸状を成す第２の磁性体が周方向に着磁されていると共に、上記空間磁束検出手段が帯状凹凸部に近接して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の応力検出装置。
5. 軸状を成す第２の磁性体が上記帯状凹凸部を相近接して２箇所に備えていることを特徴とする請求項４に記載の応力検出装置。
6. 軸方向に働く引張応力及び圧縮応力を検出することを特徴とする請求項４又は５に記載の応力検出装置。
7. 軸状を成す第２の磁性体が回転自在に保持されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つの項に記載の応力検出装置。
8. 上記空間磁束検出手段が帯状凹凸部の端部に配置され、径方向の磁束を検知することを特徴とする請求項４〜７のいずれか１つの項に記載の応力検出装置。
9. 第２の磁性体に対する上記空間磁束検出手段の反対側にヨークが配置されていることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つの項に記載の応力検出装置。
10. 上記ヨークがソフト磁性材料から成るものであることを特徴とする請求項９に記載の応力検出装置。
11. 第２の磁性体が中空であることを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１つの項に記載の応力検出装置。
12. 上記空間磁束検出手段が磁気センサであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つの項に記載の応力検出装置。
13. 上記磁気センサがホール素子又はホールＩＣであることを特徴とする請求項１２に記載のトルク検出装置。
14. 第２の磁性体が熱処理された鋼又は表面処理された鋼から成るものであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つの項に記載の応力検出装置。

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