特許 6784985 ひねり応力センサ素子およびひねり応力センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6784985

(24)【登録日】2020年10月28日

(45)【発行日】2020年11月18日

(54)【発明の名称】ひねり応力センサ素子およびひねり応力センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/12 20060101AFI20201109BHJP

   G01L 1/00 20060101ALI20201109BHJP

   G01L 5/169 20200101ALI20201109BHJP

【ＦＩ】

   G01L1/12

   G01L1/00 F

   G01L5/169

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2019-181297(P2019-181297)

(22)【出願日】2019年10月1日

【審査請求日】2020年9月25日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】717002887

【氏名又は名称】ナノコイル株式会社

(72)【発明者】

【氏名】本蔵 義信

(72)【発明者】

【氏名】本蔵 晋平

【審査官】 森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 特許第６０２１２３９（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 国際公開第２０１８／２３０２６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特許第３９０８６８８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第６５０６４６６（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フレキシブル基板上に、原点を中心として４回対称に対角線上に配置されている４個の応力インピーダンスセンサ素子と、４個の出力電極、１個のグランド共通電極と１個のグランド電極および３本の配線を備えるひねり応力センサ素子において、
前記フレキシブル基板は、長さは１．５〜４．５ｍｍ、幅は１．５ｍｍ〜４ｍｍからなり、
前記応力インピーダンスセンサ素子は、応力検知体としてアモルファス磁歪ワイヤと前記アモルファス磁歪ワイヤの両端には磁歪ワイヤ出力端子および磁歪ワイヤグランド端子を備え、前記アモルファス磁歪ワイヤの直径は５〜１８μｍ、長さは０．５〜２．５ｍｍからなり、
前記出力電極は、前記磁歪ワイヤ出力端子と前記配線を介してそれぞれ接続され、
前記グランド共通電極は、原点に位置して４個の前記磁歪ワイヤグランド端子と結合しており、
前記グランド電極は、前記グランド共通電極と前記配線を介して接続されていることを特徴とするひねり応力センサ素子。

【請求項2】

請求項１において、
前記アモルファス磁歪ワイヤは、四角環または楕円環の磁性薄膜により取り囲まれていることを特徴とするひねり応力センサ素子。

【請求項3】

ひねり応力センサ素子と電子回路とからなるひねり応力センサにおいて、
フレキシブル基板上に、原点を中心として４回対称に対角線上に配置されている４個の応力インピーダンスセンサ素子と、４個の出力電極、１個のグランド共通電極と１個のグランド電極および３本の配線を備えてなり、
前記フレキシブル基板は、長さは１．５〜４.５ｍｍ、幅は１．５ｍｍ〜４ｍｍからなり、
前記応力インピーダンスセンサ素子は、応力検知体として磁性薄膜に取り囲まれている直径は５〜１８μｍ、長さは０．５〜３．０ｍｍからなるアモルファス磁歪ワイヤと前記アモルファス磁歪ワイヤの両端の磁歪ワイヤ出力端子および磁歪ワイヤグランド端子とからなり、
４個の前記応力インピーダンスセンサ素子の向きは、被試験体の取り付け軸方向に対して４５度に傾斜するように取り付けられており、
前記出力電極は、前記磁歪ワイヤ出力端子と前記配線を介してそれぞれ接続され、
前記グランド共通電極は、原点に位置して４個の前記磁歪ワイヤグランド端子と結合しており、
前記グランド電極は、前記グランド共通電極と前記配線を介して接続され、
前記電子回路は、パルス発振器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および信号処理回路を備えてなり、
前記パルス発振器は、前記アモルファス磁歪ワイヤに周波数は１００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの高周波電流またはパルス電流を通電し、
前記高速電子スイッチは、前記アモルファス磁歪ワイヤのインピーダンス変化量に対応するパルス波形電圧のピーク電圧を検波し、
前記ピークホールド回路は、検波したピーク電圧をホールドし、
前記信号処理回路は、ホールドした電圧を信号処理することにより、
原点位置におけるひねり応力を測定することを特徴とするひねり応力センサ。

【請求項4】

請求項３において、
前記信号処理回路は、４個の前記応力インピーダンスセンサ素子の測定値をσｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２とすると、ひねり応力σｘｙを関係式（１）により、引張圧縮応力σをは関係式（２）により、原点Ｏ点位置におけるひねり応力と引張圧縮応力を同時に求めることができる回路からなることを特徴とするひねり応力センサ。
σｘｙ＝（σｘ１＋σｘ２）―（σｙ１＋σｙ２） ・・ ・（１）
σｐ ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２） ・・・（２）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ひねり応力がかかるシャフトや棒状部品の表面のひねり応力を計測するひねりセンサに関するものである。

【0002】

ひねり応力センサは、シャフトなど回転力を伝達部品に歪みゲージを張り付けて、トルクの計測に用いられている。歪みゲージとしては、金属薄膜タイプや半導体歪みゲージが広く使用されているが、金属薄膜タイプの歪みゲージ率は２、半導体歪みゲージの歪みゲージ率は５０程度と低い。微妙な荷重や応力、さらに小さな小型部品に係る応力を測定するために、その小型化と高感度化、すなわち歪みゲージ率の大幅改善が求められている。

【0003】

小型シャフトなどの棒状部品の微小ひねり応力を計測する場合、応力は必ずしも一様に分布しておらず、特定の測定位置で計測し平均化して平均的なひねり応力と各部位でのひねり応力の測定が重要である。また小型部品の場合、ひねり応力と同時に引張圧縮応力の影響を受けやすいので、ひねり応力と引張圧縮応力の同時計測を行う必要がある。特に医療分野においては、医療機器の先端部にかかるひねり応力や引張圧縮応力を計測する場合などにおいてはその必要性が大きい。

【0004】

高感度歪みゲージとしては、高い歪みゲージ率を有する応力インピーダンスセンサ（以下、ＳＩセンサという。）が知られている。
ＳＩセンサについては、特許文献１および特許文献２に開示されている。ここで、応力インピーダンスとは、磁性ワイヤに歪みが負荷されると磁性ワイヤのインピーダンスが歪量に応じて変化する現象で、わずかな歪みで大きなインピーダンス変化を生ずる高感度歪みゲージが開発されている。

【0005】

ＳＩセンサの感度評価は、歪みゲージ率Ｇで評価されている。それは、Ｇ＝（ｄＲ／Ｒ）／（ｄＬ／Ｌ）で計算することができる。Ｌは応力検知体の長さ、ｄＬは伸びで、Ｒは応力検知体の電気抵抗、ｄＲは電気抵抗の変化量である。なお、市販の歪みゲージは、歪みゲージ率は２程度で、半導体歪みゲージの歪みゲージ率は５０〜２００程度である。

【0006】

特許文献１には、応力検知体である磁性ワイヤは、Ｆｅ系アモルファスワイヤで、直径１２５μｍ、長さ１５０μｍにて、励磁周波数１０ＭＨｚで、６３程度の歪みゲージ率が得られている。
一方、特許文献２（実施例１）には、応力検知体である磁性ワイヤは、負磁歪のＣｏ系アモルファスワイヤで、直径３０μｍ、長さ２０ｍｍにて、励磁周波数２０ＭＨｚで、１２８６の歪みゲージ率が得られている。これは半導体歪みゲージの６．５倍も高い値である。

【0007】

また、非特許文献１（図８）によるとワイヤ径３０μｍ、長さ２０ｍｍで、励磁周波数を２０ＭＨｚ、電流の強さ２０ｍＡとした時に、歪みゲージ率１５２４を得ている。
非特許文献２（図２）によると、素子の長さ４ｍｍ、幅２ｍｍとして、励磁周波数を１５ＭＨｚ、電流の強さ９．５ｍＡの場合に、歪みゲージ率２０００程度を得ることができると報告している。

【0008】

しかし、ＳＩ素子は、既存製品の磁性ワイヤを被試験体に取り付けることが難しく実用化に至っていない。さらに、素子の長さを短くすると歪みゲージ率が低下してしまうので、小型化と高感度化を両立させるための新技術開発が必要である。

【0009】

なお、ＳＩセンサに匹敵する高感度歪みゲージセンサとして、非特許文献３（表１）によると、５ｍｍ角程度のスピンＭＥＭＳタイプのセンサは１０００程度である。非特許文献４によると、磁歪材料をＦｅアモルファス合金に変更してＭＥＭＳタイプで歪みゲージ率５０００を実現したとの最新の報告がなされている。しかし、これはシリコンのＭＥＭＳ構造体の上に歪みゲージを張り付ける構造のため、小型化は難しいので、本発明における歪みゲージとしてはふさわしくないと判断して、開発の対象としなかった。

【0010】

ＳＩセンサを使ったひねり応力センサの基本特性については、非特許文献５（７７〜９１頁）に、差動型素子の構造、回路図、および基本特性が紹介されている。そこでは、ひねり応力に対して、±１０ＭＰａのひねり応力で３００ｍＶもの大きな出力電圧を得ることおよびひねり応力に対して非対称特性となることが報告されている。

【0011】

以上、医療分野などにおける小型シャフト部品のひねり応力を計測するために、ＳＩセンサの小型化と簡単に被試験体に取り付けることができるＳＩセンサの素子の開発という新技術の開発およびそれを使った特定位置でのひねり応力の計測方法の開発が求められている。
なお、外部磁界が大きい場合や高感度の歪みゲージ率の場合には、外部磁界の影響を受けやすくなるため磁気シールドの技術開発も併せて求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開平８−１２８９０４

【特許文献2】特開平１０−１７０３５５

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】沈麗萍他：日本応用磁気学会２２、６７７−６８０（１９９８）

【非特許文献2】山寺秀哉ほか：豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、３，２、ｐ５１〜５６（２００１．６）

【非特許文献3】横河技報、６０，１，ｐ４３〜４７（２０１７）

【非特許文献4】ＥＥＴｉｍｅｓ ２０１９年９月３日ニュース

【非特許文献5】沈麗萍：学位論文（アモルファス磁歪ワイヤの応力インピーダンス効果とＣＭＯＳ ＩＣ形応力センサに関する研究、Ｐ７７〜９１（２０００）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明は、特定の位置のひねり応力を特定位置（ピンポイント）で計測できる小型のひねりセンサ素子を開発して、小型シャフトにかかるひねり応力を精度よく測定するためのものである。

【0015】

そのためには、第１の課題は、ＳＩセンサの素子の長さをこれまでの３０ｍｍから５ｍｍ以下にするとＳＩセンサの歪みゲージ率が低下してしまう。ＳＩセンサの歪みゲージ率の大幅な改善を図り、素子長さを短くしても２０００以上の歪みゲージ率を確保できるＳＩセンサを開発することである。
第２の課題は、簡単に被試験体に取り付けることができるフレキシブルタイプのＳＩ素子を開発することである。
第３の課題は、ひねり応力をピンポイントで測定できるひねり応力センサを考案することである。
第４の課題は、ひねり応力と同時にかかる引張圧縮応力を測定できるようにすることである。
第５の課題は、ひねり応力センサへの外部磁界の影響を解消する磁気シールドを開発することである。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明者は、歪みゲージ率に及ぼす諸因子を鋭意研究した。
その結果、磁歪ワイヤの直径を３０μｍから１０μｍに変更することで、３倍程度高い歪みゲージ率を得ることができることを見出した。また、磁歪ワイヤの直径が小さくなるほど、歪みゲージ率に及ぼす周波数のピーク周波数は増加し、かつ最適周波数における歪みゲージ率が増大することを見出した（図１）。磁歪ワイヤの直径を３０μｍから１０μｍへと小さくすると、最適周波数は、２０ＭＨｚから２００ＭＨｚに増加して、最適周波数における歪みゲージ率は周波数の平方根に比例して増加することが分かった。

【0017】

さらに、歪みゲージ率は、磁歪ワイヤの長さＬと磁歪ワイヤの断面積Ｓとの比、つまりアスペクト比（Ｌ／Ｓ）に強く依存することを見いだした(図２)。
ＳＩ素子に磁歪ワイヤの直径３０μｍで長さ２０ｍｍの場合のゲージ率は１０００程度であるが、長さを２ｍｍと短くするとゲージ率は１００程度と激減した。他方、ＳＩ素子の磁歪ワイヤの直径１０μｍで長さ１ｍｍ、２ｍｍおよび４ｍｍとした場合、歪みゲージ率は１１００程度、２３００程度および４５００程度となった。以上の知見を基に第１の課題を解決した。
なお、磁歪ワイヤとしては、Ｃｏ系アモルファスワイヤ、Ｆｅ系アモルファスワイヤどちらでも使用できる。

【0018】

また、本発明者は、フレキシブル基板に磁歪ワイヤを取り付けることができるならば、半導体歪みゲージ素子と同様に、接着剤などで被試験体に貼り付けることができるＳＩ素子を開発できるとの思いに至った。そこで、フレキシブル基板の表面に磁歪ワイヤを配置し、樹脂で固定した上で、もしくは、フレキシブル基板の表面に溝加工を施し、その溝に沿って磁歪ワイヤを配置し、樹脂で固定した上で、磁歪ワイヤに取り付けた磁歪ワイヤ端子と外部の電子回路とを連結する磁歪ワイヤ電極とからなるＳＩ素子を考案した。
また、本素子は、磁歪ワイヤ径は溝に埋設されていてもいいし、その一部が溝に埋設されず基板面上に凸部を形成していてもよい。さらに基板上の溝を線状のマークとしてマーク線に沿ってワイヤを整列させ、接着剤で固定してもよい。
以上の考案により第２の課題を解決した。

【0019】

さらに、シャフト部品にかかるひねり応力を任意の１点で計測することが可能な素子構造を考案した。
被試験体の表面応力を測定するひねり応力センサ素子は、フレキシブル基板上に４個の応力インピーダンスセンサ素子（Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２）が原点（Ｏ点）を中心として４回対称に対角線上に配置するという複合素子とすることに思い至った。
上記複合素子の４ケ所のひねり応力を、図３に示す電子回路を使って計測し、ひねり応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に対応するＶｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２を求めた。作動素子の出力電圧Ｖｘ＝Ｖｘ１−Ｖｘ２，Ｖｙ＝Ｖｙ１−Ｖｙ２は、σｘ＝σｘ１―σｘ２、σｙ＝σｙ１―σｙ２と直線的関係にあった。その結果を図４に示す。
各々の応力インピーダンスセンサ素子が計測する応力（σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２）について、Ｘ軸方向の応力であるσｘ１およびσｘ２ を加算し、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の応力であるσｙ１およびσｙ２ を加算し、次にＸ軸方向の加算値とＹ軸方向の加算値との差分σｘｙは、σｘｙ＝（σｘ１＋σｘ２）−（σｙ１＋σｙ２）なる式で算出して、原点（Ｏ点）の位置におけるひねり応力の測定を可能とする。
また、ひねり応力が負荷している状態での引張圧縮応力Ｐは、４か所の応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に対応する４つの測定値Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２を平均化して求めることができることを見出した。つまりＰ＝Ｐ＝１／４（Ｖｘ１＋Ｖｘ２＋Ｖｙ１＋Ｖｙ２）。引張圧縮応力は、Ｖｘ１とＶｘ２、Ｖｙ１とＶｙ２では正負が反転しているため、加算すると打消し、接触圧力成分のみが残るためである。
以上の考案により、第３の課題を解決した。

【0020】

また、引張圧縮応力σｐは、σｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２）で計算して求めることにした。これにより、原点Ｏ点におけるひねり応力と引張圧縮応力を同時に計測するという第４の課題を解決した。

【0021】

外部磁界を遮断する磁気シールドは、ＳＩセンサをシールドするのではなく、応力を検知する磁歪ワイヤを取り囲むように四角環状または楕円環状の磁性被膜を配置した。この配置は、ＳＩセンサの小型化にも反しないことから第５の課題を解決した。

【発明の効果】

【0022】

本発明は、小型シャフト部品にかかる微小なひねり応力の測定を可能にした。しかも測定位置をピンポイントに特定し、しかも引張圧縮応力を同時に測定することを可能にした。引張圧縮応力の影響や外部磁界の影響を取り除き、あるいは補正して、ひねり応力を精度よく測定することを可能にした。
これにより、医療分野のロボット治療化に必要な微妙なひねり応力を計測可能にして、将来のロボット医療化に貢献する技術である。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】歪みゲージ率に及ぼすワイヤ径と周波数の影響を示す図である。

【図2】歪みゲージ率に及ぼすアスペクト比Ｌ／Ｓの影響を示す図である。

【図3】電子回路を示す図である。

【図4】差動素子の曲げ応力測定特性を示す図である

【図5】ひねり応力センサ素子を示す平面図である。

【図6】ひねり応力センサ素子のＡ１−Ａ２線の断面図である。

【図7】ひねり応力センサ素子のＢ１−Ｂ２線の断面図である。

【図8】ＳＩ素子の平面の概念図である。

【図9】ＳＩ素子のＣ１−Ｃ２線の断面図である。

【図10】磁歪ワイヤをパーマロイによる磁気シールドしているＳＩ素子の平面図である。

【図11】磁歪ワイヤをパーマロイによる磁気シールドしているＳＩ素子のＤ１−Ｄ２線の断面図である。

【図12】磁歪ワイヤをパーマロイによる磁気シールドしているＳＩ素子のＥ１−Ｅ２線の断面図である。

【図13】４個のＳＩ素子による応力を同時に計測する電子回路を示す図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0024】

第１発明の被試験体の表面応力を計測するひねり応力センサ素子は、フレキシブル基板上に、原点を中心として４回対称に対角線上に配置されている４個の応力インピーダンスセンサ素子と、４個の出力電極、１個のグランド共通電極と１個のグランド電極および３本の配線から構成されている。
フレキシブル基板は、長さは１．５〜４．５ｍｍ、幅は１．５ｍｍ〜４ｍｍからなり、
応力インピーダンスセンサ素子は、応力検知体としてアモルファス磁歪ワイヤとアモルファス磁歪ワイヤの両端には磁歪ワイヤ端子（磁歪ワイヤ出力端子および磁歪ワイヤグランド端子）を備え、アモルファス磁歪ワイヤの直径は５〜１８μｍ、長さは０．５〜３．０ｍｍからなり、出力電極は、磁歪ワイヤ出力端子と配線を介してそれぞれ接続され、グランド共通電極は、原点に位置して４個の磁歪ワイヤグランド端子と結合しており、グランド電極は、グランド共通電極と配線を介して接続されている。
そして、好ましくは、アモルファス磁歪ワイヤは、磁性薄膜により取り囲まれている。

【0025】

シャフト部品にかかるひねり応力を任意の１点で計測するための素子の構造は、フレキシブル基板上に磁歪アモルファスワイヤと磁歪ワイヤの両端の電極端子からなる応力インピーダンス素子（以下、ＳＩ素子という。）の４個（Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２）を、原点を中心に４回対称に対角線上に配置する複合素子の構造とした。

【0026】

先ず、ひねり応力センサ素子１について、図５〜７を参照して説明する。
ひねり応力センサ素子１のサイズは、小さいほど好ましいが歪みゲージ率が低下するので、フレキシブル基板（以下、基板という。）のサイズは長さ１．５〜４．５ｍｍ、幅１．５〜４．０ｍｍとする。ひねり応力センサの用途に応じて長さ１．５〜６．５ｍｍ、幅１．３〜６．０ｍｍと大きくすることもできる。
ここで用いる応力インピーダンスセンサ（以下、ＳＩセンサという。）は、ＳＩセンサ素子の長さが０．５〜４．０ｍｍで、歪みゲージ率２０００〜５０００を有するものである。

【0027】

基板１１上に、４個のＳＩ素子１２（Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２）が原点であるＯ点を中心として４回対称に対角線上に配置されている。
Ｘ軸方向にＯ点を中心としてＸ１とＸ２が対称（２回対称）に配置され、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向にＯ点を中心としてＹ１とＹ２が対称（２回対称）に配置されているので、合わせて４回対称になる。そして、Ｘ１とＸ２はＸ軸方向に、Ｙ１とＹ２はＹ軸方向に配置されており、直交していることから対角線上に配置されている。
ここで、Ｏ点は基板の中心部とすることが好ましい。

【0028】

＜ひねり応力センサ素子とＳＩ素子における基板＞
ひねり応力センサ素子１の基板１１は、ＳＩ素子１２（図８：ＳＩ素子３）の基板３１も兼ねている。
すなわち、ひねり応力センサ１の基板１１上にＯ点を設定し、Ｏ点を中心として４個のＳＩ素子１２を配置するため、Ｏ点を中心として対角線上に磁歪ワイヤ３３を設置する溝３２を基板３１に形成して磁歪ワイヤを溝３２内に樹脂で接着剤して固定する。磁歪ワイヤの両端には、磁歪ワイヤ出力端子３４１と磁歪ワイヤグランド端子３４２が金属蒸着により形成される。

【0029】

＜出力電極＞
４個の出力電極１３は、配線１６を介して磁歪ワイヤ出力端子３４１と接続されている。外部の電子回路２Ａ（図示せず）へはリード線１７により接続されている。出力電極１３は、金属蒸着により形成され、直径は４０〜８０μｍである。

【0030】

＜グランド共通電極、グランド電極＞
グランド共通電極１４は、Ｏ点に位置して４個の磁歪ワイヤグランド端子３４２と結合しており、配線１６を介してグランド電極１５に接続されている。外部の電子回路２Ａへはリード線１８により接続されている。
グランド共通電極１４は、金属蒸着またはメッキで形成され、直径８０〜１２０μｍである。グランド電極１４は、金属蒸着で形成され、直径４０〜８０μｍである。
ここで、磁歪ワイヤ３３の磁歪ワイヤグランド端子３４２は、グランド共通電極１４が兼用して省略してもよい。また、グランド共通電極１４は金属メッキでもよい。

【0031】

なお、外部に信号を送る４つの信号用の出力電極１７とグランド電極１８は、例えば図５に示すように、ひねり応力センサ素子１の一の端部に集合して、外部の電子回路２Ａとリード線（１７、１８）で接合する構造が好ましい。

【0032】

次に、ひねり応力センサ素子を構成するＳＩ素子の構造および電子回路について、図３および図８〜１３を参照して説明する。
ＳＩ素子３（図８〜９）は、フレキシブル基板(基板)３１、アモルファス磁歪ワイヤ（以下、磁歪ワイヤという。）３３、磁歪ワイヤ出力端子３４１および磁歪ワイヤグランド端子３４２から構成される。
また、ＳＩ素子３Ａ（図１０〜１２）は、基板３１、レジスト層３１Ｒ、パーマロイ３１Ｐ、磁歪ワイヤ３３、磁歪ワイヤ出力端子３４、磁歪ワイヤ出力端子３４１および磁歪ワイヤグランド端子３４２、配線３５から構成される。

【0033】

＜フレキシブル基板（基板）＞
応力検知体である磁歪ワイヤ３３、磁歪ワイヤ出力端子３４１および磁歪ワイヤグランド端子３４２を配置する基板３１は、応力の負荷状態を測定する被試験体に貼りつけられたアモルファス磁歪ワイヤ３３が微小な応力を検知できるように柔軟性を有するフレキシブル基板３１とする。これにより、基板３１の表面は被試験体の表面部に、平坦な面のみでなく丸みのあるＲ面などに容易に接着剤で固定できる。

【0034】

基板３１には、その上面にレジスト層３１Ｒが塗布されている。以下、基板３１は、基板３１上のレジスト層３１Ｒを言う。
基板３１(３１Ｒ)の上に磁歪ワイヤ３３を配置するための溝３２（ガイド溝）を形成し、その溝３２に磁歪ワイヤ３３を配置し、接着する。これにより、磁歪ワイヤ３３は基板３１（３１Ｒ）に確実に固定できる。
溝３３と磁歪ワイヤ３２との関係は、磁歪ワイヤ３３の直径の上部が基板（３１Ｒ）表面と同じか溝内に埋もれている場合、あるいは磁歪ワイヤ３３の直径の一部が基板（３１Ｒ）表面より凸部を形成してもよい。
磁歪ワイヤ３３の上部あるいは凸部は絶縁性樹脂を被覆する。基板（３１Ｒ）表面を被試験体の表面部に接着剤で固定する際の絶縁性を確保するためである。

【0035】

＜アモルファス磁歪ワイヤ（磁歪ワイヤ）＞
応力検出体として、アモルファス磁歪ワイヤを用いる。微小な応力を検知するために可能な限り磁歪ワイヤの直径（断面積Ｓ）は小さいほど歪みゲージ率が高くなることから、直径５μｍ〜１８μｍとする。直径５μｍ以上としたのは、それ以下の磁歪ワイヤは製造が困難であるからである。磁歪ワイヤの長さは、０．５ｍｍ〜３．５ｍｍとして、好ましくは０．５ｍｍ〜２．５ｍｍとして素子の小型化を図る。長さを０．５ｍｍ以上としたのは、それ以下だと十分なゲージ率を得ることができないためである。
材質は、Ｃｏ系アモルファス磁歪ワイヤ、Ｆｅ系アモルファス磁歪ワイヤでもよい。 また、磁歪ワイヤは、直径５〜１８μｍのガラス被覆付きのアモルファス磁歪ワイヤでもよい。

【0036】

＜磁歪ワイヤ端子など＞
磁歪ワイヤに生じたインピーダンスの変化量を磁歪ワイヤ３３から、磁歪ワイヤの両端に形成した磁歪ワイヤ端子３４から、一端子は配線１６により出力電極１７、他端子はグランド共通電極１４、配線１６を介してグランド電極１８に伝えている。
また、図１０に示すように、磁歪ワイヤ３３の両端に磁歪ワイヤ端子３４を設け、配線３５を介して磁歪ワイヤ出力端子３４１と磁歪ワイヤグランド端子３４２へ伝え、磁歪ワイヤ出力端子３４１は配線１６により出力電極１７へ、磁歪ワイヤグランド端子３４２はグランド共通電極１４、配線１６を介してグランド電極１８に伝えている。

【0037】

ガラス被覆付きのアモルファス磁歪ワイヤの場合は、磁歪ワイヤの両端は磁歪ワイヤの上面のガラス被覆を除去して金属蒸着膜で磁歪ワイヤ端子を形成する。
ガラス被覆付きの磁歪ワイヤは、溝に配置したときや被試験体に固定したときなどに絶縁性の確保を確実にできるので短絡の恐れが無い。

【0038】

＜磁歪ワイヤなどの磁気シールド＞
また、アモルファス磁歪ワイヤは、四角環または楕円環の磁性薄膜により取り囲まれている。
これにより、外部磁界の影響を受けることなく、高い歪みゲージ率を有するＳＩ素子を得ることができる。

【0039】

図１０〜１２にその構造の例を示す。図１１はＳＩ素子３Ａの平面図で、そのＤ１−Ｄ２線の断面図を図１１に示し、そのＥ１−Ｅ２線の断面図を図１２に示している。
図１１に示すＳＩ素子３Ａにおいて、基板３１上にレジスト層３１Ｒに設けられている溝３２に磁歪ワイヤ３３が配置され、磁歪ワイヤ３３の両端には磁歪ワイヤ端子３４がそれぞれ形成され、配線３５により基板３１の両端部に形成されている磁歪ワイヤ出力端子３４１と磁歪ワイヤグランド端子３４２に接続されている。
パーマロイ３１Ｐからなる磁性薄膜が、磁歪ワイヤ３３の周囲に四角環状に基板３１またはレジスト層３１Ｒの上に形成されている。基板３１に接続配線１５が配置されている一辺は絶縁性を有するレジスト層３１Ｒおよび絶縁被覆されている基板３１の上にパーマロイ３１Ｐを形成し、他の三辺は絶縁被覆されている基板３１上にパーマロイ３１Ｐを形成し、より磁気シールド効果を高めている。

【0040】

磁歪ワイヤを取り囲む磁性薄膜の形状は、素子の周辺上に沿い、内部に磁歪ワイヤが配置されている四角環である。磁歪ワイヤの直径が１０μｍの場合には、四角環の厚みは、５μｍ〜２０μｍ程度でその環の幅は２０μｍ〜５０μｍ、四角環の長辺の長さは、外側はＳＩ素子の長さより短く、内側は磁歪ワイヤの長さより長い。

【0041】

この例に加えて、磁歪ワイヤを上下左右から取り囲む包袋状の場合、平面の四角環に上下面にプレート状の磁性薄膜を取り付けた形状である。プレートの厚みは、２μｍ〜１０μｍ程度である。
本発明においては、磁歪ワイヤを外部磁界からシールドできる磁性薄膜であれば、上記四角環、楕円環の形状や包袋状の形状に制限されない。
磁性薄膜の材質は、パーマロイなどシールド機能を有するならば材質は問わない。

【0042】

＜電子回路＞
ＳＩセンサの電子回路２は、パルス発振器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および増幅器からなる。
はじめに、ワイヤに通電するパルス電流の周波数は１００〜５００ＭＨｚである。磁歪ワイヤを５〜１８μｍと細径化する場合には高周波とすることにより、ゲージ率を改善することができるからである。

【0043】

ＳＩセンサの電子回路としては、高周波電流の場合には素子の信号をインピーダンスアナライザ回路で測定する回路（特許文献１）、パルス電流の場合には磁性ワイヤが発信するパルス信号波形のピーク値をサンプルホールドする回路（特許文献２）などが広く使用されおり、これらの回路は発明の電子回路として使用することもできる。

【0044】

電子回路としては、パルス発振器からパルス電流を通電し、パルス信号波形のピーク値を高速電子スイッチで開閉時間をできるだけ短くして、ピークホールド回路で検知し、増幅器で増幅後、外部の信号処理回路に転送することが好ましい。ここで、開閉時間は０．２ｎ秒以下としてピークホールド回路によりピーク電圧を検波することが好ましい。

【0045】

本発明は、パルス電流に限定されるものではないが、高周波を使用すると、消費電力が増加するので好ましくない。

【0046】

上記ＳＩセンサは、アモルファス磁性ワイヤの直径を５〜１８μｍ、長さを０．５〜２．５ｍｍとして、パルス周波数を１００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚとすることで、２０００〜５０００の優れた歪ゲージ率が得られる。

【0047】

次に、上述のひねり応力センサ素子を用いるひねり応力センサについて説明する。
ひねり応力センサは、ひねり応力センサ素子と電子回路とを備えている。
ひねり応力センサ素子を構成する４個の応力インピーダンスセンサ素子は、フレキシブル基板上に原点を中心として４回対称に対角線上に配置された複合素子で、かつ４個の応力インピーダンスセンサ素子の向きは被試験体の取り付け軸方向に対して４５度に傾斜するように取り付けられている。
電子回路は、パルス発振器、高速電子スイッチ、ピークホールド回路および信号処理回路を備えている。パルス発振器は、アモルファス磁歪ワイヤに周波数は１００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの高周波電流またはパルス電流を通電し、高速電子スイッチは、アモルファス磁歪ワイヤのインピーダンス変化量に対応するパルス波形電圧のピーク電圧を検波し、ピークホールド回路は、検波したピーク電圧をホールドし、信号処理回路は、ホールドした電圧を信号処理することにより原点位置におけるひねり応力を測定する。

【0048】

上記複合素子の４ケ所のひねり応力を、図１３に示す電子回路を使って計測し、ひねり応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に対応するＶｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２を求める。図４に示すように、作動素子の出力電圧Ｖｘ＝Ｖｘ１−Ｖｘ２，Ｖｙ＝Ｖｙ１−Ｖｙ２は、σｘ＝σｘ１―σｘ２、σｙ＝σｙ１―σｙ２と直線的関係にある。
各々の応力インピーダンスセンサ素子が計測する応力（σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２）について、Ｘ軸方向の応力であるσｘ１およびσｘ２ を加算し、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の応力であるσｙ１およびσｙ２ を加算し、次にＸ軸方向の加算値とＹ軸方向の加算値との差分σｘｙは、σｘｙ＝（σｘ１＋σｘ２）−（σｙ１＋σｙ２）なる式で算出して、原点（Ｏ点）の位置におけるひねり応力の測定を可能とする。
また、ひねり応力が負荷している状態での引張圧縮応力Ｐは、４か所の応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２に対応する４つの測定値Ｖｘ１、Ｖｘ２、Ｖｙ１、Ｖｙ２を平均化すると求めることができる。つまり、Ｐ＝Ｐ＝１／４（Ｖｘ１＋Ｖｘ２＋Ｖｙ１＋Ｖｙ２）である。引張圧縮応力は、Ｖｘ１とＶｘ２、Ｖｙ１とＶｙ２では正負が反転しているため、加算すると打消し、接触圧力成分のみが残るためである。

【0049】

本発明の信号処理回路は、４個の応力インピーダンスセンサ素子の測定値をσｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２とすると、ひねり応力σｘｙは関係式（１）により、引張圧縮応力σｐは関係式（２）により、原点Ｏ点位置におけるひねり応力と引張圧縮応力を同時に求める回路からなる。
σｘｙ＝（σｘ１＋σｘ２）―（σｙ１＋σｙ２） ・・・（１）
σｐ ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２） ・・・（２）

【0050】

ひねり応力センサの電子回路について、図１３を参照して説明する。
電子回路２Ａは、４個のＳＩ素子２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ）の信号を処理するために、パルス発振器２１は共通にして、電子スイッチ２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）で切り換えながら各ＳＩ素子２３に通電し、ＳＩ素子２３から発生するひねり応力に応じた電力波形を、そのピークで高速電子スイッチ２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）により検波してサンプルホールド回路２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）でサンプルホールドし、増幅器２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ）で増幅するが、この回路はＳＩ素子２３毎に検波タイミングと増幅度を調整する必要があるので、４個の回路部を４個とした。４個の回路部の信号電圧は電子スイッチ２８（２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ）を介して信号処理回路（図示せず）に連結されて、順次測定を行い、ひねり応力（σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２）を求めることができる。
ここで、図１４の例に示す４個の電子スイッチ２２および２３を用いずに、図３の例に示す電子回路を４個設けて、４個の回路を並列使用して、ひねり応力（σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２）を求めることも可能である。

【0051】

ひねり応力センサ素子１は、図５に示すように図の上下方向を被試験体の軸方向とすると、被試験体の軸に対して４つのＳＩ素子１２の向きは各４５度に傾くように取り付けられることになる。
この取付け状態で、ひねり応力（σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２）を測定すると、Ｘ方向の応力であるσｘ１とσｘ２ を加算し、Ｙ方向の応力であるσｙ１とσｙ２ を加算し、次に両者の差分σｘｙをσｘｙ＝（σｘ１＋σｘ２）−（σｙ１＋σｙ２）なる式で算出すると、原点Ｏ点でのひねり応力を得ることができる。

【0052】

また、引張圧縮応力σｐは、σｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２）で計算して求めることができる。これにより、原点Ｏ点におけるひねり応力と引張圧縮力応力を同時に計測可能になる。

【実施例】

【0053】

以下、実施例について図５、９および１３を参照して説明する。
実施例は、フレキシブル基板１１上に、４個のＳＩ素子１２と４個の出力電極１３および配線１６、並びにグランド共通電極１４とグランド電極１５および配線１６から構成されるひねり応力センサ素子１とする。
ひねり応力センサ素子のサイズは、幅３．０ｍｍ、長さ３．５ｍｍ、厚さ０．１１ｍｍである。
なお、４個の出力電極１３および１個のグランド電極１５を配置するひねり応力センサ素子１の長手方向の端部（図５の上端部）からは、外部の電子回路１４へ接続しているリード線５本（出力電極から４本のリード線１７とグランド電極から１本のリード線１８）が延びている。

【0054】

このひねり応力センサ素子１を、直径８ｍｍ、内径７．６ｍｍ、長さ３０ｍｍのステンレス製パイプの被試験体に、４個のＳＩ素子１２がパイプの軸方向（長手方向）に対して４５度傾斜するように貼り付け、リード線１７、１８を用いて電子回路２Ａに連結した。４個のＳＩ素子１２の応力σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２を計測し、それらの4つの測定値をから、ひねり応力σｘｙを、σｘｙ＝（σｘ１＋σｘ２）―（σｙ１＋σｙ２）で計算して求め、原点Ｏ点位置でのひねり応力を求めた。また、引張圧縮応力Ｐは、Ｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２）で計算して求めて、ひねり応力と引張圧縮応力を同時に計測した。

【0055】

実施例に用いたＳＩ素子１２は、フレキシブル基板（以下、基板という。）１１上に、基板１１の中心部にひねり応力センサ素子１の原点Ｏ点を設け、その原点Ｏ点を中心として４回対称となるように、ＳＩ素子のサイズは幅０．０５ｍｍ、長さ１．４０ｍｍからなり、４個配置されている。

【0056】

ＳＩ素子１２の構造は、図９の例に示すように、基板１１上に厚さ１０μｍの絶縁性のレジスト層１１Ｒを塗布により形成し、レジスト層１１Ｒ（３１Ｒ）には幅２０μｍ、深さ８μｍの溝３２を設けられている。この溝３２に、直径８μｍ、長さ１．２６ｍｍの磁歪ワイヤ３３が樹脂３７により接着・固定されている。その両端には、直径４０μｍの磁歪ワイヤ出力端子３４１および磁歪ワイヤグランド端子３４２が配置されている。
磁歪ワイヤ３３は、レジスト層３１Ｒの表面より直径の一部（２μｍ）が凸部となって基板１１（レジスト層３１Ｒ）の表面より張り出している。
磁歪ワイヤ３３の凸部分および磁歪ワイヤ３３の配置されている溝３２内は、樹脂３７により被覆・絶縁される。

【0057】

基板１１の表面は、４個のＳＩ素子が配置されている表面を除き、厚さ２μｍの絶縁性レジストを塗布して、電極および配線を行なう。
原点Ｏ点には、４個の磁歪ワイヤグランド端子３４２を全て結合するように直径１００μｍの銅メッキによりグランド共通電極１４が形成される。次に、直径５０μｍの４個の出力電極１３と１個のグランド電極１５、ならびに磁歪ワイヤ出力端子３４１と出力電極１３を接続する４本の配線１６およびグランド共通電極１５とグランド電極１５を接続する１本の配線１６が金蒸着により形成されている。

【0058】

ひねり応力センサ素子１は、リード線１７および１８により電子回路２Ａに接続される。
電子回路２Ａは、１個のパルス発振器２１、４個の電子スイッチ２２、４個のＳＩ素子２３、ＳＩ素子が発するパルス電圧波形のピーク値をサンプルホールドする４個のピークホールド回路２６からなる。パルス電流の場合には、磁歪ワイヤが発するパルス信号波形のピーク値をサンプルホールドするピークホールド回路２６は高速電子スイッチ２４とコンデンサ２５からなっている。ピークホールドされた電圧は４個の増幅器２７で増幅処理されて、４個の電子スイッチ２８で切り替えられて出力電圧として出力される。出力電圧は、被試験体にかけられた応力に比例する（図４）。

【0059】

本実施例は、磁歪ワイヤ３３に周波数は２００ＭＨｚのパルス電流で、電流の強さは１００ｍＡを通電しているので、サンプルホールドするにあたっては、パルス信号波形のピーク値を高速電子スイッチで開閉時間０．１ｎ秒としてピーク電圧を検波することにした。
また、磁歪ワイヤ３３は、直径１０μｍで長さ１．８ｍｍよりアスペクト比、Ｌ／Ｓ＝２１となる。
よって、歪みゲージ率は２１００となる。

【0060】

トルクを０から±４０Ｎｍｍ負荷して、ひねり応力を０ｋｇ／ｍｍ^２から±２ｋｇ／ｍｍ^２まで変化させて測定した結果、回転、左回転のひねり応力に対して、出力は直線的出力を得ることができた。
また、ひねり応力１ｋｇ／ｍｍ^２当たり、２００ｍＶもの大きな電圧を得ることに成功した。ノイズは、０．２０μＶ程度で、検出能は０．１ｇ／ｍｍ^２となった。

【0061】

上記試験において、引張圧縮応力については、出力は直線的出力を得た。また、ひねり感度および検出能の０．７倍であった。

【産業上の利用可能性】

【0062】

本発明のひねり応力センサは、小型で高感度ひねり応力センサで、小型部品のねじり応力をピンポイントに測定できて、ひねり応力の部位別を含めて計測できて、将来のロボット治療に欠かせないセンサである。

【符号の説明】

【0063】

１：ひねり応力センサ素子
１１：フレキシブル基板（基板）、１２：ＳＩ素子（応力インピーダンスセンサ素子）、１３：出力電極、１４：グランド共通電極、１５：グランド電極、１６：配線、１７：リード線（出力電極用）、１８：リード線（グランド電極用）
２：電子回路
２１：パルス発振器、２２：電子スイッチ、２３：ＳＩ素子、２４：高速電子スイッチ、２５：コンデンサ、２６：サンプルホールド回路、２７：増幅器
２Ａ：電子回路
２１：パルス発振器、２２（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）：電子スイッチ、２３（２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ）：ＳＩ素子、２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）：高速電子スイッチ、２５（２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ）：コンデンサ、２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）：サンプルホールド回路、２７（２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ、２７Ｄ）：増幅器、２８（２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ）：電子スイッチ
３：ＳＩ素子
３１：基板、３１Ｒ：レジスト層、３２：溝、３３：アモルファス磁歪ワイヤ（磁歪ワイヤ）、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：配線、３６１：磁歪ワイヤ出力電極、３６２：磁歪ワイヤグランド電極
３Ａ：ＳＩ素子（磁気シールドタイプ）
３１：基板、３１Ｒ：レジスト層、３１Ｐ：パーマロイ、３２：溝、３３：磁歪ワイヤ、３４：磁歪ワイヤ端子、３５：配線、３６１：磁歪ワイヤ出力電極、３６２：磁歪ワイヤグランド電極

【要約】      （修正有）

【課題】ひねり応力がかかる小型のシャフトや棒状部品、パイプ状部品の表面の応力を計測するためのひねり応力センサ素子およびひねり応力センサを提供する。
【解決手段】フレキシブル基板１１上に、４個の応力インピーダンスセンサ素子１２の原点（Ｏ点）を中心として４回対称に対角線上に配置すると共に被試験体の軸方向に対して素子が４５度傾斜して、各々の素子が計測する応力（σｘ１、σｘ２、σｙ１、σｙ２）から、次式により、原点（Ｏ点）の位置のひねり応力σｘｙおよび引張圧縮応力σｐを求めることができる。σｘｙ＝（σｘ１＋σｘ２）−（σｙ１＋σｙ２）σｐ＝１／４（σｘ１＋σｘ２＋σｙ１＋σｙ２）なお、素子を構成する磁歪ワイヤ３３の直径は５〜１８μｍ、長さは０．５〜２．５ｍｍにて、磁歪ワイヤに通電する周波数は１００〜５００ＭＨｚである。
【選択図】図５

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】