(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の少なくとも一部に磁歪材料からなる磁歪膜を有する歪伝達軸と、この歪伝達軸における前記磁歪膜形成部に近接して配設された第１の検出コイル及び前記磁歪膜を形成していない前記歪伝達軸の部分に近接して配設された第２の検出コイルと、前記第１及び第２の検出コイルにそれぞれ対応する前記歪伝達軸の部分に配置され互いに直列に接続された第１及び第２の励磁コイルとから構成され、前記歪伝達軸に加わる歪の値を前記磁歪膜の透磁率の変化に基づくインピーダンス変化として検出する歪センサにおいて、
前記歪伝達軸は棒状のものであり、前記第２の励磁コイル及び第２の検出コイルに対峙する箇所の前記歪伝達軸の直径が前記磁歪膜を付着している部分の直径と異なることを特徴とする磁歪式歪センサ。
【発明の詳細な説明】
【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に関し、とくに、磁歪式歪センサの温度ドリフトを低減する磁歪式歪センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧力センサや張力センサにおいて、逆磁歪効果を利用して圧力や張力を検出する方法として、歪が加わる電線等の歪伝達部材の表面に真空技術を利用して磁歪膜を付着させ、歪伝達部材の張力や圧力に応じて変化する磁歪膜の透磁率を検出することにより、圧力や張力を求める歪センサを用いる方法がある（例えば、特願平４−２６９７５５号公報参照）。
例えば図２に示すように、歪伝達部材である軸１の表面の一部に磁歪膜２を付着させ、磁歪膜２と磁歪膜２が付着していない露出部とにそれぞれ空隙を介して対向するソレノイド状の第１の励磁コイル３１、第２の励磁コイル３２、及び第１の検出コイル４１、第２の検出コイル４２を設けて、第１及び第２の励磁コイル３１、３２を励磁回路５に直列に接続し、第１及び第２の検出コイル４１、４２を信号処理回路６にそれぞれ接続して、歪センサを形成している。第１の励磁コイル３１と第１の検出コイル４１、及び第２の励磁コイル３２と第２の検出コイル４２は、それぞれ断面が凹状のヨークに収納されている。第２の励磁コイル３２及び第２の検出コイル４２は温度補償のためのものである。
張力センサの場合は、軸１に張力が加わると、磁歪膜２の透磁率が変化し、第１及び第２の検出コイル４１、４２のインピーダンス変化として検出し、信号処理回路で差動を取り、張力信号出力を得ている。
なお、圧力センサの場合も同様である。
【０００３】
以上のような構造を持つ歪センサは、一定の歪のもとで温度が変わると検出コイルのインピーダンスが変わることによって温度ドリフトが生じ、精度を著しく損ねる。歪を受ける軸上に磁歪膜を形成した構成の場合、軸と磁歪膜の熱膨張係数が異なるため、温度変化で磁歪膜に歪が発生する。磁歪定数が正の磁歪膜の場合、温度上昇により引っ張り応力がかかると膜の磁気特性（透磁率μ）は低下するので自已インダクタンスＬは次式により低下し、その結果インピーダンスは低下する。
Ｌ＝μＳ／ｌm  ・・・・・（１）
Ｓ：磁性体の断面積
ｌm：磁気回路長
一方、コイルの抵抗は増加するので、インピーダンスは増加する。ここで、コイルの抵抗Ｒは次式で表される。
Ｒ＝ρｌ／ｓ  ・・・・・（２）
ｌ：コイル長
ｓ：コイル断面積
ρ：体積抵抗率
従って、温度ドリフトに関連する二つの項は互いに反対のインピーダンス変化を示すことになる。つまり、双方の差が温度ドリフトとして現れることになる。
【０００４】
この温度ドリフト防止の対策として、従来は差動構成をとることにより防ごうとしていた（例えば特開平６−１３７９８１号公報参照）。
ところが、圧力・張力センサにおいては膜の有無により温度ドリフトが現れる。さらに、たとえパターンが揃っていても、膜厚を目標通り均一にすることは実際には難しく、前述したように温度ドリフトが現れ、精度を低下させていた。即ち、一方の磁性体の断面積をＳ1、自己インダクタンスをＬ1、磁路長をｌm1、他方の磁性体の断面積をＳ2、自己インダクタンスをＬ2、磁路長をｌm2とすると、Δｔ℃の温度変化で磁歪膜の透磁率がΔμ変化するとき、各々の自己インダクタンスの変動ΔＬ1、ΔＬ2は、
ΔＬ1＝ΔμＳ1／ｌm1  ・・・・・（３）
ΔＬ2＝ΔμＳ2／ｌm2  ・・・・・（４）
となる。ここで、Ｓは磁歪膜の膜厚と磁歪膜の幅の積であるから、磁歪膜の膜厚や幅が異なると、Ｓ1≠Ｓ2となり、ΔＬ1≠ΔＬ2であることから検出電圧に差が生じる。従って、差動後温度ドリフトとして現れ精度を低下させることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、製造時に生じるパターン不揃いや膜厚の違いにより温度ドリフトが大きくなっても、製造後に、励磁コイル及び検出コイルに対峙する磁歪膜の付着していない歪伝達軸の直径と前記磁歪膜を付着している部分の直径とを異なるようにしてインピーダンスを選定することにより、各検出電圧の温度ドリフト差を極めて小さくし、差動後の温度ドリフトを極めて小さくすることで、高精度で実用性が高く、適用範囲の広い磁歪式歪センサを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、木発明は、表面の少なくとも一部に磁歪材料からなる磁歪膜を有する歪伝達軸と、この歪伝達軸における前記磁歪膜形成部に近接して配設された第１の検出コイル及び前記磁歪膜を形成していない前記歪伝達軸の部分に近接して配設された第２の検出コイルと、前記第１及び第２の検出コイルにそれぞれ対応する前記歪伝達軸の部分に配置され互いに直列に接続された第１及び第２の励磁コイルとから構成され、前記歪伝達軸に加わる歪の値を前記磁歪膜の透磁率の変化に基づくインピーダンス変化として検出する歪センサにおいて、前記歪伝達軸は棒状のものであり、前記第２の励磁コイル及び第２の検出コイルに対峙する箇所の歪伝達軸の直径が前記磁歪膜を付着している部分の直径と異なるようにするという極めて簡易な方法で温度ドリフトを低減するものである。
【０００７】
温度ドリフトは前述したように、温度変化に対する各々の自己インダクタンス変動の差に基づく検出電圧差に起因している。従って、本センサは差動構成をとっていることから、温度ドリフトを小さくするには、温度変化に対する各々の自己インダクタンス変動を等しくすれば良い。そこで、磁歪膜の付着していない部分に設置したコイルのヨークと歪伝達軸の距離を変えることで、軸に鎖交する磁界の大きさが変わり、渦電流が変わるのでインダクタンスを調節することができる。従って、磁歪膜の付着していない歪伝達軸の直径と前記磁歪膜を付着している部分の直径とを異なるようにし、第１及び第２の励磁コイル及び検出コイルによりインダクタンスを調節できるので、両方のインダクタンスを等しくすれば、差動後の温度ドリフトは極めて小さくなり、歪センサの精度が向上する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施例について説明する。
図１は本発明の実施例を示す構成図で、従来例を説明した図２とほぼ同じ構成である。
軸１は材質ＳＵＳ３０４からなる直径２７ｍｍの棒状のものである。磁歪膜１１は軸１の表面に、９０ｗｔ％Ｎｉ−Ｆｅ合金をスパッタ法により５μｍの厚さに付着されている。この磁歪膜１１の周囲に２００ターンの第１の励磁コイル２と４００ターンの第１の検出コイル３を設けている。磁歪膜のない部位には２００ターンの第２の励磁コイル２’と４００ターンの第２の検出コイル３’を設けている。
次に、このようにして作製した磁歪式歪センサの温度特性を調べた。
第２の励磁コイル２’及び検出コイル３’に対峙する軸１の外周を０〜０．３ｍｍ研削した。さらに、軸１に張力が０のときと３０００ｋｇの張力を加えたときについて、張力−出力特性を測定し、温度を２０℃〜６０℃の範囲で変動させて温度特性を測定した。その結果を表１に示す。
【０００９】
【表１】
0003738925.tif 000002
表１から、研削深さが０．２ｍｍのとき、温度ドリフトが０．５％と極めて小さくなっていることがわかる。また、研削していないときに比べ、非直線性やヒステリシス、感度に変化は見られなかった。
上記実施例では示していないが、あらかじめ励磁コイル及び検出コイルの少なくとも１組に対峙する磁歪膜の付着していない歪伝達軸の表面にテーパを設け、コイルを移動させても良い。なお、圧力センサの場合も同様である。
【００１０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、励磁コイル及び検出コイルの少なくとも一方に対峙する磁歪膜の付着していない歪伝達軸の直径と前記磁歪膜を付着している部分の直径とを異なるようにすることで、インダクタンスを選定できるので、差動後の温度ドリフトは極めて小さくなり、歪センサの精度が向上するので、歪みセンサの精度を高めることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例を示す構成図である。
【図２】  従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１  軸、２，磁歪膜、３１  第１の励磁コイル、３２  第２の励磁コイル、４１第１の検出コイル、４２  第２の検出コイル、５  励磁回路、６  信号処理回路
【図１】
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【図２】
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