磁歪力センサ、磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法
【課題】十分な感度を有する磁歪力センサ、これに用いる磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法を提供する。
【解決手段】磁歪力センサは、特定の方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材を備えたものである。
磁歪力センサ用板状部材の製造方法は、長手方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなる磁歪力センサ用板状部材を製造するに際して、一方向に柱状晶組織を形成した凝固部材又は鋳造部材から柱状晶の方向に板状部材を切り出す。
【解決手段】磁歪力センサは、特定の方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材を備えたものである。
磁歪力センサ用板状部材の製造方法は、長手方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなる磁歪力センサ用板状部材を製造するに際して、一方向に柱状晶組織を形成した凝固部材又は鋳造部材から柱状晶の方向に板状部材を切り出す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪力センサ、磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法に関する。
更に詳細には、本発明は、所定の磁歪材を備えた磁歪力センサ、これに用いる磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の制御分野においては、廉価で小型な力センサの開発が望まれており、力センサの研究開発がされている。例えばブレーキ力が検知できると、車両の総合制御が可能になり、省燃費な車両を実現することができる。
また、トルクセンサについても開発が望まれている。例えば電動パワーステアリングにはトルクセンサが必須であり、変位方式のトルクセンサが採用されているが、低価格化の要望があり、磁歪方式のトルクセンサの研究開発がなされている。更に、次世代のステアリングであるステア・バイ・ワイヤにおいても廉価なトルクセンサの要望がある。
これに対して、センサ感度に優れた磁歪力センサや応力を精度良く検出し得る磁歪力センサが提案されている（特許文献１及び特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２６２１０号公報
【特許文献２】特開２００８−２６８１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に記載された磁歪力センサについても、実用的なセンサとしては、感度について改善の余地があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、十分な感度を有する磁歪力センサ、これに用いる磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。そして、その結果、所定の磁歪材を備えたものとすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
本発明の磁歪力センサは、特定の方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の磁歪力センサ用板状部材の製造方法は、長手方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなる磁歪力センサ用板状部材を製造するに際して、一方向に柱状晶組織を形成した凝固部材又は鋳造部材から柱状晶の方向に板状部材を切り出すことを特徴とする。
【０００９】
本発明の磁歪力センサ用リング状部材は、周方向における磁歪の大きさがその方向に直交する軸方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなるリング状部材であって、柱状晶組織がリング状部材の径方向に向いていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の磁歪力センサ用リング状部材の製造方法は、周方向における磁歪の大きさがその方向に直交する軸方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなるリング状部材であって、柱状晶組織がリング状部材の径方向に向いている磁歪力センサ用リング状部材を製造するに際して、径方向に柱状晶を形成した鋳造部材からリング状部材を切り出すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、特定の方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材を備えたものとすることにより、十分な感度を有する磁歪力センサ、これに用いる磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の磁歪力センサの模式的な説明図である。
【図２】従来の他の磁歪力センサの模式的な説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る磁歪力センサに用いる板状部材の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る磁歪力センサ用板状部材の製造方法における応力下熱処理の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る磁歪力センサの説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る磁歪力センサ用リング状部材の製造方法における鋳造部材の模式的な断面説明図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る磁歪力センサ用リング状部材の模式的な説明図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る磁歪力センサ用リング状部材の製造方法における応力下熱処理の説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る磁歪力センサ用リング状部材の製造方法における拡径変形の説明図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る磁歪力センサ用リング状部材の模式的な説明図である。
【図１１】実施例６における磁歪力センサ用リング状部材における磁歪測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の磁歪力センサ、磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法について詳細に説明する。
【００１４】
まず、磁歪力センサの構成について従来例を用いて説明する。
図１は、従来の磁歪力センサの説明図である。特許文献２の図１８及び図１９に相当する図である。同図に示すように、磁歪板の片側に永久磁石が配置されており、反対側にホールＩＣが配置されている（図１（ａ）参照。）。永久磁石の漏れ磁束はホールＩＣによって検知される。磁歪板に矢印で示す圧縮力が働くと漏れ磁束が増すので応力が検知できる（図１（ｂ）参照。）。
図２は、従来の他の磁歪力センサの説明図である。特許文献１の図１４及び図２に相当する図である。同図に示すように、軸に磁歪リングが勘合して配置されており、周方向に着磁されている。トルクをかけるとリングから漏れ磁束が発生するので、図示したように配置されたホールＩＣによって検知できる（図２（ａ）参照。）。そして、印加トルクの方向に対応した信号が得られる（図２（ｂ）参照。）。軸に勘合している磁歪リングには周方向に引張応力が働いているので、周方向には着磁成分がより多く残っている。すなわち、応力誘起の磁気異方性を活用しているわけである。
【００１５】
次に、本発明の磁歪力センサについて、磁歪材が板状部材である場合を例に挙げて説明する。立方晶金属の場合、凝固の際に熱流の方向に柱状晶が伸びるため、好適に用いることができる。特に、Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２やＦｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５、（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５の場合は、＜１００＞方位の方向の柱状晶が熱流の方向に伸びるため好適である。これらの磁歪合金は結晶構造が体心立方晶（ＢＣＣ）の合金であって、磁化容易方向も＜１００＞である。
ここでは、凝固部材から板状部材を切り出す（図３参照。）。もちろん鋳造部材から切り出してもよい。例えば、合金組成が（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５であり、結晶粒サイズが約５０μｍであり、柱状晶の方向が図３中の矢印で示す方向であり、幅８ｍｍ、長さ１２ｍｍ、厚さ１ｍｍである板状部材を切り出した後（機械加工後）、５５０℃で２．５時間熱処理して、板長手方向の磁歪を測定すると、１００ｐｐｍである。一方、凝固部材の等軸晶部分から同サイズの板状部材を切り出した後、５５０℃で２．５時間熱処理して、板長手方向の磁歪を測定すると、５０ｐｐｍとなる。
感度が高くなるとセンサにおける信号処理コストを低下させることができるという観点で有利であり、特に温度特性の確保が容易になる。
さて、ここで、磁歪の測定方法について定義する。板長手方向の磁歪とは、歪ゲージを板長手方向に貼り、磁場を板長手方向に印加して測った磁歪のことである。ここで対象としている材料は磁歪が正なので伸びる（後述するように、この状態にて歪ゲージに対して磁場を印加する方向を直交させて測定するとマイナス（負、縮む）の磁歪となる。）。
【００１６】
次に、板状部材に引張応力を付与した状態で熱処理する場合について一例を挙げて説明する。
図４は、磁歪力センサ用板状部材の製造方法における応力下熱処理の断面説明図である。額縁状試料は、両サイドが薄い板状（幅８ｍｍ、厚さ１ｍｍ）となっている。図中の矢印の方向が柱状晶組織の方向になるように額縁状試料を例えば凝固部材から切り出す。また、額縁状試料に冷やし嵌め状態で入るブロック状部材を、同じ材料から切り出す。なお、ブロック状部材の組織状態は特に問わない。額縁状部材の両サイドの板状部分における引張応力の大きさを約２００ＭＰａになるように、ブロック状部材の長さは決定する（額縁状試料の内側長さに対して、約２０μｍ程、ブロック状部材を長くすることにより実現することができる。）。室温にて冷やし嵌めし、真空中、２時間、６４０℃にて熱処理を行う。
熱処理の温度は、規則相出現温度以上であることが好適である。このＦｅＧａ系組成の合金では、Ｆｅ３Ａｌタイプの規則相（ＢＣＣ）が５００℃程度以下では出現することが知られている。
熱処理後、額縁状試料の薄い板状部分より長さ１２ｍｍの板状試料をワイヤカットにて切り出し、長手方向の磁歪を測定すると、磁歪の大きさは３０ｐｐｍとなっており、上記した柱状晶組織のものよりも大幅に減少することになる。一方、幅８ｍｍの方向に磁場を印加して測定した磁歪は−１１０ｐｐｍとなる。比較のために、再度上記応力下熱処理を行っていない柱状晶組織の板状部材に同様な磁場印加モードでの磁歪を測定すると磁歪は−９０ｐｐｍとなる。したがって、応力下熱処理で、柱状晶方向に対する磁歪の大きさは約２２％増加することになる。すなわち、柱状晶方向を向いている磁区の割合が大幅に増していると解釈することができる。
【００１７】
図５は、本発明の一実施形態に係る磁歪力センサの説明図であって、応力センサとしての使用状態を示す図である。測定部材（応力を検知したい部材）には、ＳＵＳ３０３又はＳＵＳ３０４製のベース部材が例えばロウ付けされている。ベース部材には磁歪材からなる板状部材（磁歪板）が収まっている。磁歪板の両側には永久磁石とホールＩＣが配置されている。測定部材に図示するような力が働くと、磁歪板に圧縮力がかかるため、漏れ磁束が増加し、力が検知できる。なお、応力センサの感度は板長手方向に磁歪が異方化しているものほど高くなる。
【００１８】
次に、本発明の磁歪力センサについて、磁歪材がリング状部材である場合を例に挙げて説明する。例えば、（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５合金を銅鋳型に鋳込み、円柱状の鋳造部材を得る。円柱状鋳造部材の軸方向の中央付近における垂直断面を図６に示す。銅鋳型に熱が吸収されるため、径方向に柱状晶ができることになる。図６中の２点鎖線に沿ってリングを切り出すと、柱状晶が径方向に突き抜けたリング状部材（図７（ａ）参照。）を得ることができる。リング状部材の表面には柱状晶の垂直断面が現れて、粒径はほぼ円形である（図７（ｂ）参照。）。粒サイズは約５０μｍである。５５０℃で２．５時間熱処理を行い、軸方向に磁場を印加して磁歪を測定すると、磁歪の大きさは６０ｐｐｍである。一方、同様に作成したリング状部材（熱処理なし）を、同組成の合金製の軸部材に冷やし嵌めし（図８参照。）、リング状部材における周方向の引張応力を２００ＭＰａとした状態（約２０μｍの冷やし嵌めで達成することができる。）において、真空中、２時間、６４０℃にて熱処理を行うと、熱処理後の軸方向における磁歪は７０ｐｐｍに増加（約１７％増加）する。
なお、歪ゲージの方向は軸方向である。また、リングの場合には軸方向にしか磁場印加できないという事情がある。
【００１９】
このようなリング状部材を磁歪力センサとしたときのねじり感度について説明する。リングを１０μｍの冷やし嵌めでＳＵＳ製の軸に勘合する。そして、軸に約８５００Ａ通電することにより、周方向に着磁する。＋／−５Ｎｍにて測定すると、ねじり感度はそれぞれ０．５Ｇ／Ｎｍ、０．６Ｇ／Ｎｍとなり、その増加の程度は、ほぼ磁歪量の増加の割合と一致する。
【００２０】
次に、（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５合金の場合を例に挙げて、周方向に異方化することについて説明する。図９は、リング状部材を拡径する治具等の説明図である。まず、図７に示すようなリング状部材を作製する。そして、図９に示すようにセットする。例えばホットプレス装置を利用する場合、装置内にセットすると好都合である。７００℃に所定の時間（例えば３０分間）保持した後に、パンチを押してリング状部材を塑性変形する。なお、７００℃はＦｅＧａ系組成の合金において規則相が出現する温度よりも高温の状態である。パンチ及び台座は日立金属製マルエージング鋼ＹＡＧ３００を機械加工することにより作製し、時効処理等を施さずに、そのまま用いることができる。なお、パンチの外径をリングの内径より２０％大きくすると、２０％拡径変形させることができる。このような塑性変形により、リング状部材の表面における結晶粒の形は、図１０に示すように周方向に伸びた形となる。なお、この場合における扁平率（楕円の長径と短径の差の短径に対する比率）は約２０％となる。
また、リング状部材の形状を整えるために追加の機械加工を施す場合には、熱処理を追加して行うことが好ましい。５５０℃で２．５時間の熱処理が好適である。また、引き続き、上記説明した引張応力を付与した状態で熱処理を行ってもよい。
なお、拡径変形後、そのままリング状部材として採用できる場合には、パンチを押し込んだまま、更に１時間保持することで熱処理の代わりとすることができる。その場合には、引張応力を付与した状態で熱処理を行った場合と同様の効果を得ることができる。
例えば、円柱状の鋳造部材よりリング状部材を切り出し、７００℃にて２０％拡径変形した後、直ちに炉冷する。次いで、取り出したリング状部材（リング状部材のみの状態）を５５０℃で２．５時間熱処理を行うと、リング状部材の軸方向の磁歪の大きさは８０ｐｐｍとなり、拡径変形しない場合に比べて大幅に増加する。
この状態のリング状部材に対して、更に引張応力下での熱処理（引張応力：２００ＭＰａ、雰囲気：真空中、時間：２時間、温度：６４０℃）を行うと、リング状部材の軸方向の磁歪の大きさは９５ｐｐｍとなり、更に増加する。
一方、７００℃における拡径変形後、パンチを押し込んだ状態のまま、更に１時間保持した後に、炉冷して、取り出したリング状部材における軸方向の磁歪の大きさは約９５ｐｐｍとなり、引張応力下熱処理の場合と同レベルとなる。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２２】
（実施例１）
（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５合金の凝固部材から図３に示すような柱状晶組織を有する板状部材（幅：８ｍｍ、長さ：１２ｍｍ、厚さ：１ｍｍ、結晶粒サイズ：約５０μｍ）を切り出した。なお、比較のために、凝固部材の等軸晶部分からも同サイズの板状部材を切り出した。これらの板状部材を５５０℃で２．５時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用板状部材（磁歪板）を得た。板状部材の長手方向の磁歪を測定したところ、等軸晶組織の板状部材では磁歪の大きさが５０ｐｐｍであったが、柱状晶組織の板状部材では磁歪の大きさが１００ｐｐｍであった。
また、永久磁石としてφ６ｍｍ、厚さ１．６ｍｍのＳｍＣｏ磁石を用意した。なお、磁石単体での端面の磁束密度は約２．１ｋＧであった。また、磁気ピックアップとしてホールＩＣを用意した。
これらを用いて、図５に示す本例の磁歪力センサを作製した。なお、永久磁石は板状部材との間に０．１ｍｍのギャップを設けて取り付けた。また、ホールＩＣは板状部材から約０．５ｍｍ位置での磁束を検知している。
柱状晶組織の板状部材の場合に、この磁歪力センサの感度を測定したところ、磁歪板での応力値で換算して、感度は約１Ｇ／ＭＰａ（図１（ｂ）における傾きに相当。）となっていて、圧縮応力５０ＭＰａの範囲で直線的な特性となっていた。また、等軸晶組織の板状部材では感度は約半分であった。
【００２３】
（実施例２）
図４に示すような（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５合金の額縁状の試料（両サイドが薄い板状になっている。）に同じ材料ブロック状部材を冷やし嵌めした。このとき、両サイドの板状部分における引張応力の大きさが約２００ＭＰａになるように、ブロック状部材の長さを決定した（試料の内側長さに対して、ブロック状部材の長さを約２０μｍ程長くした。）。この試料を真空中、２時間、６４０℃にて熱処理を行った。両サイドの板状部分から図４に示すような柱状晶組織を有する板状部材（幅：８ｍｍ、長さ：１２ｍｍ、厚さ：１ｍｍ）を切り出して、本例で用いる磁歪力センサ用板状部材（磁歪板）を得た。本例で得られた磁歪力センサ用板状部材を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の磁歪力センサを作製した。
この磁歪力センサの感度を測定したところ、磁歪板での応力値で換算して、感度は約１．２Ｇ／ＭＰａとなっていた。
【００２４】
（実施例３）
Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５合金の凝固部材から図３に示すような柱状晶組織を有する板状部材（幅：８ｍｍ、長さ：１２ｍｍ、厚さ：１ｍｍ、結晶粒サイズ：４００μｍ程度）を切り出した。結晶粒サイズは、上記実施例で用いたものに比して大きいことが分かる。この板状部材を、５５０℃で２．５時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用板状部材（磁歪板）を得た。本例で得られた磁歪力センサ用板状部材を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の磁歪力センサを作製した。
この磁歪力センサの感度を測定したところ、磁歪板での応力値で換算して、感度は約１．５Ｇ／ＭＰａであった。この合金の場合、直線的な特性の圧縮応力範囲が３０ＭＰａと狭かった。この合金の機械的な強度が小さいことを反映していると考えられる。
【００２５】
（実施例４）
（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５合金を銅鋳型に鋳込み、円柱状の鋳造部材を得た。円柱状の鋳造部材の軸方向の中央付近における垂直断面を図６に示す。銅鋳型に熱が吸収されるため、径方向に柱状晶ができていた。次いで、図６の２点鎖線に沿ってリング状部材（内径：１２．６ｍｍ、外径：１４．２ｍｍ、長さ：１３ｍｍ）を切り出した。また、柱状晶は径方向に突き抜けていた（図７（ａ）参照。）。また、リング状部材の表面には柱状晶の垂直断面が現れており、粒径はほぼ円形であった（図（ｂ）参照。）。また、結晶粒サイズは約５０μｍであった。このリング状部材を５５０℃で２．５時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。軸方向に磁場を印加して磁歪を測定したところ、磁歪の大きさは６０ｐｐｍであった。
一方、同様に作製したリング状部材（熱処理無し）を、同組成の合金製軸に冷やし嵌めした（図８参照。）。リング状部材における周方向の引張応力は、２００ＭＰａであった（約２０μｍの冷やし嵌めで達成することができる。）。この状態で、真空中、２時間、６４０℃にて熱処理を行って、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。熱処理後の軸方向における磁歪は７０ｐｐｍに増加していた（約１７％増加）。
これらを用いて図２に示すような本例の磁歪力センサを作製した。磁歪力センサ用リング状部材は１０μｍの冷やし嵌めでＳＵＳ３０３製の軸（軸径：１２．６ｍｍ）に勘合し、軸に約８５００Ａ通電することにより、周方向に着磁した。
これらの磁歪力センサのねじり感度を＋／−５Ｎｍにて測定したところ、それぞれ０．５Ｇ／Ｎｍ、０．６Ｇ／Ｎｍであって、その増加の程度は、ほぼ磁歪量の増加割合と一致していた。
【００２６】
（実施例５）
実施例４と同様にして、同合金にてリング状部材（内径：１０ｍｍ、外径：１３ｍｍ、長さ：１５ｍｍ）を作製した。次いで、日立金属製マルエージング鋼によって作製したパンチ及び台座を用いて２０％の拡径変形を行った。その後、機械加工して、内径１２．６ｍｍ、外径１４．２ｍｍ、長さ１３ｍｍのリング状部材とした。このリング状部材を５５０℃で２．５時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。なお、リング状部材の表面における結晶粒サイズは約５０μｍであって、周方向に約２０％伸びた形状となっていた（すなわち、扁平な楕円形状）。
一方、別に用意した機械加工後のリング状部材を同組成の軸部材に冷やし嵌めし、リング部材における周方向の引張応力を２００ＭＰａとした状態（約２０μｍの冷やし嵌めで達成することができる。）において、真空中、２時間、６４０℃にて熱処理を行って、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。
これを用いて図２に示すような本例の磁歪力センサを作製した。磁歪力センサ用リング状部材は１０μｍの冷やし嵌めでＳＵＳ３０３製の軸（軸径：１２．６ｍｍ）勘合し、軸に約８５００Ａ通電することにより、周方向に着磁した。
これらの磁歪力センサのねじり感度を＋／−５Ｎｍにて測定したところ、それぞれ０．７Ｇ／Ｎｍ、０．８Ｇ／Ｎｍであって、拡径した場合にはねじり感度も向上していた（実施例４参照。）。
【００２７】
（実施例６）
Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２合金を銅鋳型に鋳込み、円柱状の鋳造部材を得た。円柱状の鋳造部材の軸方向の中央付近における垂直断面を図６に示す。銅鋳型に熱が吸収されるため、径方向に柱状晶ができていた。次いで、図６の２点鎖線に沿ってリング状部材（内径：１２．６ｍｍ、外径：１４．２ｍｍ、長さ：１３ｍｍ）を切り出した。また、柱状晶は径方向に突き抜けていた（図７（ａ）参照。）。また、リング状部材の表面には柱状晶の垂直断面が現れており、粒径はほぼ円形であった（図７（ｂ）参照。）。また、結晶粒サイズは約４０μｍであった。このリング状部材を８５０℃で３時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。熱処理後の軸方向の磁歪の大きさは７０ｐｐｍであった。
一方、同様に作製したリング状部材（熱処理無し）を、同組成の合金製軸に冷やし嵌めした（図８参照。）。リング状部材における周方向の引張応力は１００ＭＰａであった（約１０μｍの冷やし嵌めで達成することができる。）。この状態で、３時間、８５０℃にて熱処理を行って、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。なお、Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２合金の場合、規則相ＦｅＣｏは７３０℃で出現することが知られている。したがって、熱処理温度は規則相出現温度以上となっている。軸方向磁歪のデータを図１１に示す。横軸は磁場印加のために電磁石に流した電流でプロットしてあるが、磁場とみなせる量である。磁場は＋／−８ｋＯｅ印加している。磁場（Ｈ）印加の方向はリング軸方向であった。軸方向に貼った歪ゲージの値が軸方向磁歪である（系列１のデータ）。磁場に対して垂直に貼った歪ゲージでの磁歪は−である（系列２のデータ）。図１１に示すように、軸方向の磁歪は約９０ｐｐｍとなっていて、応力下熱処理しない場合に対して約２８％増加していることが分かる。
これらを用いて図２に示すような本例の磁歪力センサを作製した。磁歪力センサ用リング状部材は１０μｍの冷やし嵌めでＳＵＳ３０３製の軸（軸径：１２．６ｍｍ）に勘合し、軸に約８５００Ａ通電することにより、周方向に着磁した。
これらの磁歪力センサのねじり感度を＋／−５Ｎｍにて測定したところ、ねじり感度は、それぞれ１．０Ｇ／Ｎｍ、１．３Ｇ／Ｎｍであった。応力下熱処理した場合には約３割ねじり感度も向上していた。
【００２８】
（実施例７）
Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２合金を銅鋳型に鋳込み、円柱状の鋳造部材を得た。円柱状の鋳造部材の軸方向の中央付近における垂直断面を図６に示す。銅鋳型に熱が吸収されるため、径方向に柱状晶ができていた。次いで、図６の２点鎖線に沿ってリング状部材（内径：１０ｍｍ、外径：１３ｍｍ、長さ：１５ｍｍ）を切り出した。次いで、日立金属製マルエージング鋼によって作製したパンチ及び台座を用いて、８００℃にて２０％の拡径変形を行った。その後、Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２合金の場合、７３０℃で規則相が出現するが、この温度より高い温度なので割れることもなく変形させることができた。その後、機械加工して、内径１２．６ｍｍ、外径１４．２ｍｍ、長さ１３ｍｍのリング状部材とした。このリング状部材を８００℃で３時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。リング表面における結晶粒を観察したところ、周方向に約２０％伸びた粒径サイズとなっていた（扁平率約２０％）。
一方、同様に作製したリング状部材（熱処理無し）を、同組成の合金製軸に冷やし嵌めした（図８参照。）。リング状部材における周方向の引張応力は、１００ＭＰａであった（約１０μｍの冷やし嵌めで達成することができる。）。この状態で、３時間、８００℃にて熱処理を行って、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。
リング状部材の軸方向磁歪は応力下熱処理なしの場合が約９５ｐｐｍであり、応力下熱処理ありの場合は約１１０ｐｐｍとなっていた（約１６％増加）。
これらを用いて図２に示すような本例の磁歪力センサを作製した。磁歪力センサ用リング状部材は１０μｍの冷やし嵌めでＳＵＳ３０３製の軸（軸径：１２．６ｍｍ）に勘合し、軸に約８５００Ａ通電することにより、周方向に着磁した。
これらの磁歪力センサのねじり感度を＋／−５Ｎｍにて測定したところ、ねじり感度は、それぞれ１．４Ｇ／Ｎｍ、１．７Ｇ／Ｎｍであった。応力下熱処理した場合には約２割ねじり感度も向上していた。
【００２９】
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【００３０】
例えば、磁気検知部のセンサとしてはホールＩＣのみを例に挙げて説明したが、本発明においては、省電力且つ小型であるＧＭＲやＭＩセンサを適用することもできる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪力センサ、磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法に関する。
更に詳細には、本発明は、所定の磁歪材を備えた磁歪力センサ、これに用いる磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の制御分野においては、廉価で小型な力センサの開発が望まれており、力センサの研究開発がされている。例えばブレーキ力が検知できると、車両の総合制御が可能になり、省燃費な車両を実現することができる。
また、トルクセンサについても開発が望まれている。例えば電動パワーステアリングにはトルクセンサが必須であり、変位方式のトルクセンサが採用されているが、低価格化の要望があり、磁歪方式のトルクセンサの研究開発がなされている。更に、次世代のステアリングであるステア・バイ・ワイヤにおいても廉価なトルクセンサの要望がある。
これに対して、センサ感度に優れた磁歪力センサや応力を精度良く検出し得る磁歪力センサが提案されている（特許文献１及び特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２６２１０号公報
【特許文献２】特開２００８−２６８１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に記載された磁歪力センサについても、実用的なセンサとしては、感度について改善の余地があった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、十分な感度を有する磁歪力センサ、これに用いる磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。そして、その結果、所定の磁歪材を備えたものとすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
本発明の磁歪力センサは、特定の方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の磁歪力センサ用板状部材の製造方法は、長手方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなる磁歪力センサ用板状部材を製造するに際して、一方向に柱状晶組織を形成した凝固部材又は鋳造部材から柱状晶の方向に板状部材を切り出すことを特徴とする。
【０００９】
本発明の磁歪力センサ用リング状部材は、周方向における磁歪の大きさがその方向に直交する軸方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなるリング状部材であって、柱状晶組織がリング状部材の径方向に向いていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の磁歪力センサ用リング状部材の製造方法は、周方向における磁歪の大きさがその方向に直交する軸方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなるリング状部材であって、柱状晶組織がリング状部材の径方向に向いている磁歪力センサ用リング状部材を製造するに際して、径方向に柱状晶を形成した鋳造部材からリング状部材を切り出すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、特定の方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材を備えたものとすることにより、十分な感度を有する磁歪力センサ、これに用いる磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の磁歪力センサの模式的な説明図である。
【図２】従来の他の磁歪力センサの模式的な説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る磁歪力センサに用いる板状部材の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る磁歪力センサ用板状部材の製造方法における応力下熱処理の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る磁歪力センサの説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る磁歪力センサ用リング状部材の製造方法における鋳造部材の模式的な断面説明図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る磁歪力センサ用リング状部材の模式的な説明図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る磁歪力センサ用リング状部材の製造方法における応力下熱処理の説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る磁歪力センサ用リング状部材の製造方法における拡径変形の説明図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る磁歪力センサ用リング状部材の模式的な説明図である。
【図１１】実施例６における磁歪力センサ用リング状部材における磁歪測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の磁歪力センサ、磁歪力センサ用板状部材の製造方法、磁歪力センサ用リング状部材及び磁歪力センサ用リング状部材の製造方法について詳細に説明する。
【００１４】
まず、磁歪力センサの構成について従来例を用いて説明する。
図１は、従来の磁歪力センサの説明図である。特許文献２の図１８及び図１９に相当する図である。同図に示すように、磁歪板の片側に永久磁石が配置されており、反対側にホールＩＣが配置されている（図１（ａ）参照。）。永久磁石の漏れ磁束はホールＩＣによって検知される。磁歪板に矢印で示す圧縮力が働くと漏れ磁束が増すので応力が検知できる（図１（ｂ）参照。）。
図２は、従来の他の磁歪力センサの説明図である。特許文献１の図１４及び図２に相当する図である。同図に示すように、軸に磁歪リングが勘合して配置されており、周方向に着磁されている。トルクをかけるとリングから漏れ磁束が発生するので、図示したように配置されたホールＩＣによって検知できる（図２（ａ）参照。）。そして、印加トルクの方向に対応した信号が得られる（図２（ｂ）参照。）。軸に勘合している磁歪リングには周方向に引張応力が働いているので、周方向には着磁成分がより多く残っている。すなわち、応力誘起の磁気異方性を活用しているわけである。
【００１５】
次に、本発明の磁歪力センサについて、磁歪材が板状部材である場合を例に挙げて説明する。立方晶金属の場合、凝固の際に熱流の方向に柱状晶が伸びるため、好適に用いることができる。特に、Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２やＦｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５、（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５の場合は、＜１００＞方位の方向の柱状晶が熱流の方向に伸びるため好適である。これらの磁歪合金は結晶構造が体心立方晶（ＢＣＣ）の合金であって、磁化容易方向も＜１００＞である。
ここでは、凝固部材から板状部材を切り出す（図３参照。）。もちろん鋳造部材から切り出してもよい。例えば、合金組成が（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５であり、結晶粒サイズが約５０μｍであり、柱状晶の方向が図３中の矢印で示す方向であり、幅８ｍｍ、長さ１２ｍｍ、厚さ１ｍｍである板状部材を切り出した後（機械加工後）、５５０℃で２．５時間熱処理して、板長手方向の磁歪を測定すると、１００ｐｐｍである。一方、凝固部材の等軸晶部分から同サイズの板状部材を切り出した後、５５０℃で２．５時間熱処理して、板長手方向の磁歪を測定すると、５０ｐｐｍとなる。
感度が高くなるとセンサにおける信号処理コストを低下させることができるという観点で有利であり、特に温度特性の確保が容易になる。
さて、ここで、磁歪の測定方法について定義する。板長手方向の磁歪とは、歪ゲージを板長手方向に貼り、磁場を板長手方向に印加して測った磁歪のことである。ここで対象としている材料は磁歪が正なので伸びる（後述するように、この状態にて歪ゲージに対して磁場を印加する方向を直交させて測定するとマイナス（負、縮む）の磁歪となる。）。
【００１６】
次に、板状部材に引張応力を付与した状態で熱処理する場合について一例を挙げて説明する。
図４は、磁歪力センサ用板状部材の製造方法における応力下熱処理の断面説明図である。額縁状試料は、両サイドが薄い板状（幅８ｍｍ、厚さ１ｍｍ）となっている。図中の矢印の方向が柱状晶組織の方向になるように額縁状試料を例えば凝固部材から切り出す。また、額縁状試料に冷やし嵌め状態で入るブロック状部材を、同じ材料から切り出す。なお、ブロック状部材の組織状態は特に問わない。額縁状部材の両サイドの板状部分における引張応力の大きさを約２００ＭＰａになるように、ブロック状部材の長さは決定する（額縁状試料の内側長さに対して、約２０μｍ程、ブロック状部材を長くすることにより実現することができる。）。室温にて冷やし嵌めし、真空中、２時間、６４０℃にて熱処理を行う。
熱処理の温度は、規則相出現温度以上であることが好適である。このＦｅＧａ系組成の合金では、Ｆｅ３Ａｌタイプの規則相（ＢＣＣ）が５００℃程度以下では出現することが知られている。
熱処理後、額縁状試料の薄い板状部分より長さ１２ｍｍの板状試料をワイヤカットにて切り出し、長手方向の磁歪を測定すると、磁歪の大きさは３０ｐｐｍとなっており、上記した柱状晶組織のものよりも大幅に減少することになる。一方、幅８ｍｍの方向に磁場を印加して測定した磁歪は−１１０ｐｐｍとなる。比較のために、再度上記応力下熱処理を行っていない柱状晶組織の板状部材に同様な磁場印加モードでの磁歪を測定すると磁歪は−９０ｐｐｍとなる。したがって、応力下熱処理で、柱状晶方向に対する磁歪の大きさは約２２％増加することになる。すなわち、柱状晶方向を向いている磁区の割合が大幅に増していると解釈することができる。
【００１７】
図５は、本発明の一実施形態に係る磁歪力センサの説明図であって、応力センサとしての使用状態を示す図である。測定部材（応力を検知したい部材）には、ＳＵＳ３０３又はＳＵＳ３０４製のベース部材が例えばロウ付けされている。ベース部材には磁歪材からなる板状部材（磁歪板）が収まっている。磁歪板の両側には永久磁石とホールＩＣが配置されている。測定部材に図示するような力が働くと、磁歪板に圧縮力がかかるため、漏れ磁束が増加し、力が検知できる。なお、応力センサの感度は板長手方向に磁歪が異方化しているものほど高くなる。
【００１８】
次に、本発明の磁歪力センサについて、磁歪材がリング状部材である場合を例に挙げて説明する。例えば、（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５合金を銅鋳型に鋳込み、円柱状の鋳造部材を得る。円柱状鋳造部材の軸方向の中央付近における垂直断面を図６に示す。銅鋳型に熱が吸収されるため、径方向に柱状晶ができることになる。図６中の２点鎖線に沿ってリングを切り出すと、柱状晶が径方向に突き抜けたリング状部材（図７（ａ）参照。）を得ることができる。リング状部材の表面には柱状晶の垂直断面が現れて、粒径はほぼ円形である（図７（ｂ）参照。）。粒サイズは約５０μｍである。５５０℃で２．５時間熱処理を行い、軸方向に磁場を印加して磁歪を測定すると、磁歪の大きさは６０ｐｐｍである。一方、同様に作成したリング状部材（熱処理なし）を、同組成の合金製の軸部材に冷やし嵌めし（図８参照。）、リング状部材における周方向の引張応力を２００ＭＰａとした状態（約２０μｍの冷やし嵌めで達成することができる。）において、真空中、２時間、６４０℃にて熱処理を行うと、熱処理後の軸方向における磁歪は７０ｐｐｍに増加（約１７％増加）する。
なお、歪ゲージの方向は軸方向である。また、リングの場合には軸方向にしか磁場印加できないという事情がある。
【００１９】
このようなリング状部材を磁歪力センサとしたときのねじり感度について説明する。リングを１０μｍの冷やし嵌めでＳＵＳ製の軸に勘合する。そして、軸に約８５００Ａ通電することにより、周方向に着磁する。＋／−５Ｎｍにて測定すると、ねじり感度はそれぞれ０．５Ｇ／Ｎｍ、０．６Ｇ／Ｎｍとなり、その増加の程度は、ほぼ磁歪量の増加の割合と一致する。
【００２０】
次に、（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５合金の場合を例に挙げて、周方向に異方化することについて説明する。図９は、リング状部材を拡径する治具等の説明図である。まず、図７に示すようなリング状部材を作製する。そして、図９に示すようにセットする。例えばホットプレス装置を利用する場合、装置内にセットすると好都合である。７００℃に所定の時間（例えば３０分間）保持した後に、パンチを押してリング状部材を塑性変形する。なお、７００℃はＦｅＧａ系組成の合金において規則相が出現する温度よりも高温の状態である。パンチ及び台座は日立金属製マルエージング鋼ＹＡＧ３００を機械加工することにより作製し、時効処理等を施さずに、そのまま用いることができる。なお、パンチの外径をリングの内径より２０％大きくすると、２０％拡径変形させることができる。このような塑性変形により、リング状部材の表面における結晶粒の形は、図１０に示すように周方向に伸びた形となる。なお、この場合における扁平率（楕円の長径と短径の差の短径に対する比率）は約２０％となる。
また、リング状部材の形状を整えるために追加の機械加工を施す場合には、熱処理を追加して行うことが好ましい。５５０℃で２．５時間の熱処理が好適である。また、引き続き、上記説明した引張応力を付与した状態で熱処理を行ってもよい。
なお、拡径変形後、そのままリング状部材として採用できる場合には、パンチを押し込んだまま、更に１時間保持することで熱処理の代わりとすることができる。その場合には、引張応力を付与した状態で熱処理を行った場合と同様の効果を得ることができる。
例えば、円柱状の鋳造部材よりリング状部材を切り出し、７００℃にて２０％拡径変形した後、直ちに炉冷する。次いで、取り出したリング状部材（リング状部材のみの状態）を５５０℃で２．５時間熱処理を行うと、リング状部材の軸方向の磁歪の大きさは８０ｐｐｍとなり、拡径変形しない場合に比べて大幅に増加する。
この状態のリング状部材に対して、更に引張応力下での熱処理（引張応力：２００ＭＰａ、雰囲気：真空中、時間：２時間、温度：６４０℃）を行うと、リング状部材の軸方向の磁歪の大きさは９５ｐｐｍとなり、更に増加する。
一方、７００℃における拡径変形後、パンチを押し込んだ状態のまま、更に１時間保持した後に、炉冷して、取り出したリング状部材における軸方向の磁歪の大きさは約９５ｐｐｍとなり、引張応力下熱処理の場合と同レベルとなる。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２２】
（実施例１）
（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５合金の凝固部材から図３に示すような柱状晶組織を有する板状部材（幅：８ｍｍ、長さ：１２ｍｍ、厚さ：１ｍｍ、結晶粒サイズ：約５０μｍ）を切り出した。なお、比較のために、凝固部材の等軸晶部分からも同サイズの板状部材を切り出した。これらの板状部材を５５０℃で２．５時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用板状部材（磁歪板）を得た。板状部材の長手方向の磁歪を測定したところ、等軸晶組織の板状部材では磁歪の大きさが５０ｐｐｍであったが、柱状晶組織の板状部材では磁歪の大きさが１００ｐｐｍであった。
また、永久磁石としてφ６ｍｍ、厚さ１．６ｍｍのＳｍＣｏ磁石を用意した。なお、磁石単体での端面の磁束密度は約２．１ｋＧであった。また、磁気ピックアップとしてホールＩＣを用意した。
これらを用いて、図５に示す本例の磁歪力センサを作製した。なお、永久磁石は板状部材との間に０．１ｍｍのギャップを設けて取り付けた。また、ホールＩＣは板状部材から約０．５ｍｍ位置での磁束を検知している。
柱状晶組織の板状部材の場合に、この磁歪力センサの感度を測定したところ、磁歪板での応力値で換算して、感度は約１Ｇ／ＭＰａ（図１（ｂ）における傾きに相当。）となっていて、圧縮応力５０ＭＰａの範囲で直線的な特性となっていた。また、等軸晶組織の板状部材では感度は約半分であった。
【００２３】
（実施例２）
図４に示すような（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５合金の額縁状の試料（両サイドが薄い板状になっている。）に同じ材料ブロック状部材を冷やし嵌めした。このとき、両サイドの板状部分における引張応力の大きさが約２００ＭＰａになるように、ブロック状部材の長さを決定した（試料の内側長さに対して、ブロック状部材の長さを約２０μｍ程長くした。）。この試料を真空中、２時間、６４０℃にて熱処理を行った。両サイドの板状部分から図４に示すような柱状晶組織を有する板状部材（幅：８ｍｍ、長さ：１２ｍｍ、厚さ：１ｍｍ）を切り出して、本例で用いる磁歪力センサ用板状部材（磁歪板）を得た。本例で得られた磁歪力センサ用板状部材を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の磁歪力センサを作製した。
この磁歪力センサの感度を測定したところ、磁歪板での応力値で換算して、感度は約１．２Ｇ／ＭＰａとなっていた。
【００２４】
（実施例３）
Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５合金の凝固部材から図３に示すような柱状晶組織を有する板状部材（幅：８ｍｍ、長さ：１２ｍｍ、厚さ：１ｍｍ、結晶粒サイズ：４００μｍ程度）を切り出した。結晶粒サイズは、上記実施例で用いたものに比して大きいことが分かる。この板状部材を、５５０℃で２．５時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用板状部材（磁歪板）を得た。本例で得られた磁歪力センサ用板状部材を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の磁歪力センサを作製した。
この磁歪力センサの感度を測定したところ、磁歪板での応力値で換算して、感度は約１．５Ｇ／ＭＰａであった。この合金の場合、直線的な特性の圧縮応力範囲が３０ＭＰａと狭かった。この合金の機械的な強度が小さいことを反映していると考えられる。
【００２５】
（実施例４）
（Ｆｅ８０Ｇａ１５Ａｌ５）９９Ｚｒ０．５Ｃ０．５合金を銅鋳型に鋳込み、円柱状の鋳造部材を得た。円柱状の鋳造部材の軸方向の中央付近における垂直断面を図６に示す。銅鋳型に熱が吸収されるため、径方向に柱状晶ができていた。次いで、図６の２点鎖線に沿ってリング状部材（内径：１２．６ｍｍ、外径：１４．２ｍｍ、長さ：１３ｍｍ）を切り出した。また、柱状晶は径方向に突き抜けていた（図７（ａ）参照。）。また、リング状部材の表面には柱状晶の垂直断面が現れており、粒径はほぼ円形であった（図（ｂ）参照。）。また、結晶粒サイズは約５０μｍであった。このリング状部材を５５０℃で２．５時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。軸方向に磁場を印加して磁歪を測定したところ、磁歪の大きさは６０ｐｐｍであった。
一方、同様に作製したリング状部材（熱処理無し）を、同組成の合金製軸に冷やし嵌めした（図８参照。）。リング状部材における周方向の引張応力は、２００ＭＰａであった（約２０μｍの冷やし嵌めで達成することができる。）。この状態で、真空中、２時間、６４０℃にて熱処理を行って、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。熱処理後の軸方向における磁歪は７０ｐｐｍに増加していた（約１７％増加）。
これらを用いて図２に示すような本例の磁歪力センサを作製した。磁歪力センサ用リング状部材は１０μｍの冷やし嵌めでＳＵＳ３０３製の軸（軸径：１２．６ｍｍ）に勘合し、軸に約８５００Ａ通電することにより、周方向に着磁した。
これらの磁歪力センサのねじり感度を＋／−５Ｎｍにて測定したところ、それぞれ０．５Ｇ／Ｎｍ、０．６Ｇ／Ｎｍであって、その増加の程度は、ほぼ磁歪量の増加割合と一致していた。
【００２６】
（実施例５）
実施例４と同様にして、同合金にてリング状部材（内径：１０ｍｍ、外径：１３ｍｍ、長さ：１５ｍｍ）を作製した。次いで、日立金属製マルエージング鋼によって作製したパンチ及び台座を用いて２０％の拡径変形を行った。その後、機械加工して、内径１２．６ｍｍ、外径１４．２ｍｍ、長さ１３ｍｍのリング状部材とした。このリング状部材を５５０℃で２．５時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。なお、リング状部材の表面における結晶粒サイズは約５０μｍであって、周方向に約２０％伸びた形状となっていた（すなわち、扁平な楕円形状）。
一方、別に用意した機械加工後のリング状部材を同組成の軸部材に冷やし嵌めし、リング部材における周方向の引張応力を２００ＭＰａとした状態（約２０μｍの冷やし嵌めで達成することができる。）において、真空中、２時間、６４０℃にて熱処理を行って、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。
これを用いて図２に示すような本例の磁歪力センサを作製した。磁歪力センサ用リング状部材は１０μｍの冷やし嵌めでＳＵＳ３０３製の軸（軸径：１２．６ｍｍ）勘合し、軸に約８５００Ａ通電することにより、周方向に着磁した。
これらの磁歪力センサのねじり感度を＋／−５Ｎｍにて測定したところ、それぞれ０．７Ｇ／Ｎｍ、０．８Ｇ／Ｎｍであって、拡径した場合にはねじり感度も向上していた（実施例４参照。）。
【００２７】
（実施例６）
Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２合金を銅鋳型に鋳込み、円柱状の鋳造部材を得た。円柱状の鋳造部材の軸方向の中央付近における垂直断面を図６に示す。銅鋳型に熱が吸収されるため、径方向に柱状晶ができていた。次いで、図６の２点鎖線に沿ってリング状部材（内径：１２．６ｍｍ、外径：１４．２ｍｍ、長さ：１３ｍｍ）を切り出した。また、柱状晶は径方向に突き抜けていた（図７（ａ）参照。）。また、リング状部材の表面には柱状晶の垂直断面が現れており、粒径はほぼ円形であった（図７（ｂ）参照。）。また、結晶粒サイズは約４０μｍであった。このリング状部材を８５０℃で３時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。熱処理後の軸方向の磁歪の大きさは７０ｐｐｍであった。
一方、同様に作製したリング状部材（熱処理無し）を、同組成の合金製軸に冷やし嵌めした（図８参照。）。リング状部材における周方向の引張応力は１００ＭＰａであった（約１０μｍの冷やし嵌めで達成することができる。）。この状態で、３時間、８５０℃にて熱処理を行って、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。なお、Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２合金の場合、規則相ＦｅＣｏは７３０℃で出現することが知られている。したがって、熱処理温度は規則相出現温度以上となっている。軸方向磁歪のデータを図１１に示す。横軸は磁場印加のために電磁石に流した電流でプロットしてあるが、磁場とみなせる量である。磁場は＋／−８ｋＯｅ印加している。磁場（Ｈ）印加の方向はリング軸方向であった。軸方向に貼った歪ゲージの値が軸方向磁歪である（系列１のデータ）。磁場に対して垂直に貼った歪ゲージでの磁歪は−である（系列２のデータ）。図１１に示すように、軸方向の磁歪は約９０ｐｐｍとなっていて、応力下熱処理しない場合に対して約２８％増加していることが分かる。
これらを用いて図２に示すような本例の磁歪力センサを作製した。磁歪力センサ用リング状部材は１０μｍの冷やし嵌めでＳＵＳ３０３製の軸（軸径：１２．６ｍｍ）に勘合し、軸に約８５００Ａ通電することにより、周方向に着磁した。
これらの磁歪力センサのねじり感度を＋／−５Ｎｍにて測定したところ、ねじり感度は、それぞれ１．０Ｇ／Ｎｍ、１．３Ｇ／Ｎｍであった。応力下熱処理した場合には約３割ねじり感度も向上していた。
【００２８】
（実施例７）
Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２合金を銅鋳型に鋳込み、円柱状の鋳造部材を得た。円柱状の鋳造部材の軸方向の中央付近における垂直断面を図６に示す。銅鋳型に熱が吸収されるため、径方向に柱状晶ができていた。次いで、図６の２点鎖線に沿ってリング状部材（内径：１０ｍｍ、外径：１３ｍｍ、長さ：１５ｍｍ）を切り出した。次いで、日立金属製マルエージング鋼によって作製したパンチ及び台座を用いて、８００℃にて２０％の拡径変形を行った。その後、Ｆｅ４９Ｃｏ４９Ｖ２合金の場合、７３０℃で規則相が出現するが、この温度より高い温度なので割れることもなく変形させることができた。その後、機械加工して、内径１２．６ｍｍ、外径１４．２ｍｍ、長さ１３ｍｍのリング状部材とした。このリング状部材を８００℃で３時間熱処理して、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。リング表面における結晶粒を観察したところ、周方向に約２０％伸びた粒径サイズとなっていた（扁平率約２０％）。
一方、同様に作製したリング状部材（熱処理無し）を、同組成の合金製軸に冷やし嵌めした（図８参照。）。リング状部材における周方向の引張応力は、１００ＭＰａであった（約１０μｍの冷やし嵌めで達成することができる。）。この状態で、３時間、８００℃にて熱処理を行って、本例で用いる磁歪力センサ用リング状部材を得た。
リング状部材の軸方向磁歪は応力下熱処理なしの場合が約９５ｐｐｍであり、応力下熱処理ありの場合は約１１０ｐｐｍとなっていた（約１６％増加）。
これらを用いて図２に示すような本例の磁歪力センサを作製した。磁歪力センサ用リング状部材は１０μｍの冷やし嵌めでＳＵＳ３０３製の軸（軸径：１２．６ｍｍ）に勘合し、軸に約８５００Ａ通電することにより、周方向に着磁した。
これらの磁歪力センサのねじり感度を＋／−５Ｎｍにて測定したところ、ねじり感度は、それぞれ１．４Ｇ／Ｎｍ、１．７Ｇ／Ｎｍであった。応力下熱処理した場合には約２割ねじり感度も向上していた。
【００２９】
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【００３０】
例えば、磁気検知部のセンサとしてはホールＩＣのみを例に挙げて説明したが、本発明においては、省電力且つ小型であるＧＭＲやＭＩセンサを適用することもできる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材を備えたことを特徴とする磁歪力センサ。
【請求項２】
上記磁歪材は、結晶構造が立方晶の合金であることを特徴とする請求項１に記載の磁歪力センサ。
【請求項３】
上記磁歪材は、結晶構造が体心立方晶の合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁歪力センサ。
【請求項４】
上記磁歪材が、ＦｅＧａＡｌ合金又はＦｅＣｏＶ合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の磁歪力センサ。
【請求項５】
上記磁歪材が板状部材であって、該板状部材の長手方向が上記特定の方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁歪力センサ。
【請求項６】
上記磁歪材からなる板状部材の一方の面に永久磁石が配置され、他方の面に磁気検知部が配置され、
上記板状部材の長手方向に圧縮力が作用したときの漏れ磁束の増加を検知することにより該板状部材に働く応力を検知することを特徴とする請求項５に記載の磁歪力センサ。
【請求項７】
長手方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなる磁歪力センサ用板状部材を製造するに際して、一方向に柱状晶組織を形成した凝固部材又は鋳造部材から柱状晶の方向に板状部材を切り出すことを特徴とする磁歪力センサ用板状部材の製造方法。
【請求項８】
上記板状部材を製造するに際して、柱状晶の方向に引張応力を付与した状態で熱処理を行うことを特徴とする請求項７に記載の磁歪力センサ用板状部材の製造方法。
【請求項９】
上記熱処理の温度が規則相出現温度以上であることを特徴とする請求項８に記載の磁歪力センサ用板状部材の製造方法。
【請求項１０】
上記磁歪材がリング状部材であって、該リング状部材の周方向が上記特定の方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁歪力センサ。
【請求項１１】
軸と、上記磁歪材からなるリング状部材と、磁気検知部とを備え、
上記リング状部材が上記軸に勘合して配置され、上記磁気検知部が上記リング状部材に近接配置され、
上記リング状部材が周方向に着磁されており、
上記軸にトルクがかかったときに、上記リング状部材からの磁束漏れの大きさを上記磁気検知部にて検知する非接触方式の磁歪式トルクセンサであることを特徴とする請求項１０に記載の磁歪力センサ。
【請求項１２】
上記リング状部材の軸方向に磁界を印加して測定した該軸方向の磁歪の大きさが異方性を付与していない場合に比して大きいことを特徴とする請求項１１に記載の磁歪力センサ。
【請求項１３】
上記軸方向の磁歪の大きさが１０％以上大きくなっていることを特徴とする請求項１２に記載の磁歪力センサ。
【請求項１４】
周方向における磁歪の大きさがその方向に直交する軸方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなるリング状部材であって、柱状晶組織がリング状部材の径方向に向いていることを特徴とする磁歪力センサ用リング状部材。
【請求項１５】
上記柱状晶の垂直断面における結晶粒の形がリング状部材の周方向に伸びた形であることを特徴とする請求項１４に記載の磁歪力センサ用リング状部材。
【請求項１６】
上記柱状晶の扁平度が１０％以上であることを特徴とする請求項１５に記載の磁歪力センサ用リング状部材。
【請求項１７】
周方向における磁歪の大きさがその方向に直交する軸方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなるリング状部材であって、柱状晶組織がリング状部材の径方向に向いている磁歪力センサ用リング状部材を製造するに際して、径方向に柱状晶を形成した鋳造部材からリング状部材を切り出すことを特徴とする磁歪力センサ用リング状部材の製造方法。
【請求項１８】
周方向における磁歪の大きさがその方向に直交する軸方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなるリング状部材であって、柱状晶組織がリング状部材の径方向に向いており、該柱状晶の垂直断面における結晶粒の形がリング状部材の周方向に伸びた形である磁歪力センサ用リング状部材を製造するに際して、径方向に柱状晶を形成した鋳造部材からリング状部材を切り出し、規則相出現温度以上の温度域にて塑性変形を行うことを特徴とする磁歪力センサ用リング状部材の製造方法。
【請求項１９】
上記リング状部材を製造するに際して、周方向に引張応力を付与した状態で熱処理を行うことを特徴とする請求項１７又は１８に記載の磁歪力センサ用リング状部材の製造方法。
【請求項２０】
上記熱処理の温度が規則相出現温度以上であることを特徴とする請求項１９に記載の磁歪力センサ用リング状部材の製造方法。
【請求項１】
特定の方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材を備えたことを特徴とする磁歪力センサ。
【請求項２】
上記磁歪材は、結晶構造が立方晶の合金であることを特徴とする請求項１に記載の磁歪力センサ。
【請求項３】
上記磁歪材は、結晶構造が体心立方晶の合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁歪力センサ。
【請求項４】
上記磁歪材が、ＦｅＧａＡｌ合金又はＦｅＣｏＶ合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の磁歪力センサ。
【請求項５】
上記磁歪材が板状部材であって、該板状部材の長手方向が上記特定の方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁歪力センサ。
【請求項６】
上記磁歪材からなる板状部材の一方の面に永久磁石が配置され、他方の面に磁気検知部が配置され、
上記板状部材の長手方向に圧縮力が作用したときの漏れ磁束の増加を検知することにより該板状部材に働く応力を検知することを特徴とする請求項５に記載の磁歪力センサ。
【請求項７】
長手方向における磁歪の大きさがその方向に直交する方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなる磁歪力センサ用板状部材を製造するに際して、一方向に柱状晶組織を形成した凝固部材又は鋳造部材から柱状晶の方向に板状部材を切り出すことを特徴とする磁歪力センサ用板状部材の製造方法。
【請求項８】
上記板状部材を製造するに際して、柱状晶の方向に引張応力を付与した状態で熱処理を行うことを特徴とする請求項７に記載の磁歪力センサ用板状部材の製造方法。
【請求項９】
上記熱処理の温度が規則相出現温度以上であることを特徴とする請求項８に記載の磁歪力センサ用板状部材の製造方法。
【請求項１０】
上記磁歪材がリング状部材であって、該リング状部材の周方向が上記特定の方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁歪力センサ。
【請求項１１】
軸と、上記磁歪材からなるリング状部材と、磁気検知部とを備え、
上記リング状部材が上記軸に勘合して配置され、上記磁気検知部が上記リング状部材に近接配置され、
上記リング状部材が周方向に着磁されており、
上記軸にトルクがかかったときに、上記リング状部材からの磁束漏れの大きさを上記磁気検知部にて検知する非接触方式の磁歪式トルクセンサであることを特徴とする請求項１０に記載の磁歪力センサ。
【請求項１２】
上記リング状部材の軸方向に磁界を印加して測定した該軸方向の磁歪の大きさが異方性を付与していない場合に比して大きいことを特徴とする請求項１１に記載の磁歪力センサ。
【請求項１３】
上記軸方向の磁歪の大きさが１０％以上大きくなっていることを特徴とする請求項１２に記載の磁歪力センサ。
【請求項１４】
周方向における磁歪の大きさがその方向に直交する軸方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなるリング状部材であって、柱状晶組織がリング状部材の径方向に向いていることを特徴とする磁歪力センサ用リング状部材。
【請求項１５】
上記柱状晶の垂直断面における結晶粒の形がリング状部材の周方向に伸びた形であることを特徴とする請求項１４に記載の磁歪力センサ用リング状部材。
【請求項１６】
上記柱状晶の扁平度が１０％以上であることを特徴とする請求項１５に記載の磁歪力センサ用リング状部材。
【請求項１７】
周方向における磁歪の大きさがその方向に直交する軸方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなるリング状部材であって、柱状晶組織がリング状部材の径方向に向いている磁歪力センサ用リング状部材を製造するに際して、径方向に柱状晶を形成した鋳造部材からリング状部材を切り出すことを特徴とする磁歪力センサ用リング状部材の製造方法。
【請求項１８】
周方向における磁歪の大きさがその方向に直交する軸方向における磁歪の大きさより大きい磁歪材からなるリング状部材であって、柱状晶組織がリング状部材の径方向に向いており、該柱状晶の垂直断面における結晶粒の形がリング状部材の周方向に伸びた形である磁歪力センサ用リング状部材を製造するに際して、径方向に柱状晶を形成した鋳造部材からリング状部材を切り出し、規則相出現温度以上の温度域にて塑性変形を行うことを特徴とする磁歪力センサ用リング状部材の製造方法。
【請求項１９】
上記リング状部材を製造するに際して、周方向に引張応力を付与した状態で熱処理を行うことを特徴とする請求項１７又は１８に記載の磁歪力センサ用リング状部材の製造方法。
【請求項２０】
上記熱処理の温度が規則相出現温度以上であることを特徴とする請求項１９に記載の磁歪力センサ用リング状部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−９８１５４（Ｐ２０１２−９８１５４Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４６０５１（Ｐ２０１０−２４６０５１）
【出願日】平成２２年１１月２日（２０１０．１１．２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人科学技術振興機構、産学共同シーズイノベーション化事業「育成ステージ」ステア・バイ・ワイヤ用ＦｅＧａ（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）力センサの開発委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５０４２２９２８４）国立大学法人弘前大学 (162)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２日（２０１０．１１．２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人科学技術振興機構、産学共同シーズイノベーション化事業「育成ステージ」ステア・バイ・ワイヤ用ＦｅＧａ（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）力センサの開発委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５０４２２９２８４）国立大学法人弘前大学 (162)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
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