JP2000266621A - 磁歪素子を用いた圧力センサ - Google Patents

磁歪素子を用いた圧力センサ

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JP2000266621A
JP2000266621A JP11067787A JP6778799A JP2000266621A JP 2000266621 A JP2000266621 A JP 2000266621A JP 11067787 A JP11067787 A JP 11067787A JP 6778799 A JP6778799 A JP 6778799A JP 2000266621 A JP2000266621 A JP 2000266621A
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magnetostrictive element
pressure sensor
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coil
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Takao Kashiwagi
孝夫 柏木
Koichi Kobayashi
光一 小林
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TDK Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 バイアス磁界の印加と内部構造の改良により
温度変化によって生じるインダクタンス変化量を抑え、
良好な温度特性及び出力特性の安定度向上を実現する。 【解決手段】 超磁歪素子3と該超磁歪素子3の周囲に
配設された少なくとも1つのコイル6と前記磁歪素子3
の加重方向に略平行にバイアス磁界を印加する永久磁石
7,8とをケーシング1内に収納し、加重による前記磁
歪素子の透磁率変化を前記コイル6のインダクタンス変
化として検出する。前記超磁歪素子3はランタノイド元
素系及び鉄族元素系を含む磁性体により柱状に形成され
いる。また、前記超磁歪素子3に予圧を加えるとともに
膨張収縮を吸収する予圧機構を前記ケーシング1内に設
けている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧力、トルク等の
測定用途に使用される磁歪素子を用いた圧力センサに係
り、とくに温度特性を安定化し、温度による測定誤差の
少ない磁歪素子を用いた圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、磁歪素子を用いた圧力センサ
は、磁歪素子の外部応力による透磁率の変化をコイルに
発生する誘起電圧の変化として測定することにより、圧
力を検出するものである。本発明と技術分野の類似する
従来例として、例えば、特開平8−320337号公報
がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、特開平8−
320337号公報の磁歪素子を用いた圧力センサは、
渦電流抑制を主目的とするものであり、従来の磁歪素子
を用いた圧力センサで測定精度を悪化させる大きな要因
となっている温度特性の改善については、特に配慮がな
されていない。
【0004】本発明は、上記の点に鑑み、磁歪素子を利
用したコイルのインダクタンスの温度変化を少なくし
て、温度変化に伴う検出圧力値の変動を抑制した磁歪素
子を用いた圧力センサを提供することを目的とする。さ
らに詳述すれば、本発明は、磁歪素子へのバイアス磁界
の印加と内部構造の改良により温度変化によって生じる
インダクタンス変化量を抑えることができ、良好な温度
特性を有し、出力特性の安定度を増した磁歪素子を用い
た圧力センサを提供することを目的とする。
【0005】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の磁歪素子を用いた圧力センサは、磁歪素子
と該磁歪素子の周囲に配設された少なくとも1つのコイ
ルと前記磁歪素子の加重方向に略平行にバイアス磁界を
印加する永久磁石とをケーシング内に収納し、加重によ
る前記磁歪素子の透磁率変化を前記コイルのインダクタ
ンス変化として検出することを特徴としている。
【0007】前記磁歪素子を用いた圧力センサにおい
て、前記磁歪素子はランタノイド元素系及び鉄族元素系
を含む磁性体により柱状に形成されてなる超磁歪素子で
あるとよい。
【0008】前記磁歪素子に予圧を加えるとともに膨張
収縮を吸収する予圧機構を前記ケーシング内に設けると
よい。
【0009】加重方向と前記磁歪素子の中心軸方向とが
一致するように、前記磁歪素子の両端側の加重受け部材
に球面状又は半球面状部材をそれぞれ当接させて加重を
印加する構成にするとよい。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る磁歪素子を用
いた圧力センサの実施の形態を図面に従って説明する。
【0011】図1乃至図3において、非磁性金属等の非
磁性ケーシング1内には鉄等の円筒状磁性体ヨーク2
と、超磁歪素子3と、この外周を囲む非磁性ボビン4に
巻線5を施した少なくとも1個のコイル6と、超磁歪素
子3の上下端面に当接して設けられた永久磁石7、8
と、一方の永久磁石7の下面側に対接する円板状の受け
板9と、他方の永久磁石8の上面側に対接する円板状の
受け板10と、超磁歪素子3に加圧力を与える為の予圧
機構の主要構成部品である皿ばね11と、それを受ける
円板状の受け板12が設けられている。前記受け板9,
10,12はステンレス板等を用いて形成され、弾性部
材としての皿ばね11はみがき特殊鋼等で形成される。
【0012】前記超磁歪素子3は、ランタノイド元素系
及び鉄族元素系の磁性体により円柱状に構成された極め
て磁歪の大きな素子である。超磁歪素子3、その外周の
コイル6、超磁歪素子両端の永久磁石7,8、下側の受
け板9、皿ばね11、受け板12及び上側の受け板10
は前記円筒状ヨーク2内に配置され、上下面が磁極とな
った永久磁石7,8により超磁歪素子3の軸方向に略平
行にバイアス磁界を印加する磁気回路構成である。つま
り、超磁歪素子3の一方の端面に一方の永久磁石のN極
が、他方の端面に他方の永久磁石のS極が対向する配置
である。
【0013】さらに、前記ケーシング1内には、外部か
らの圧力による加重が超磁歪素子3の中心軸に働くよう
作用させるために、超磁歪素子3の上下両端側に球面状
部材としての上部球体13、下部球体14が配置されて
おり、上部球体13に加重を加えるためのステンレス等
の予圧調整用螺子部材15を固持した支持部材16が固
定部材18(ケーシング1に対する蓋)により螺子部材
19にてケーシング1に固定されている。ここで、前記
下部球体14はケーシング1内側底面に形成された円錐
状凹面1aに当たって線接触するとともに加重受け部材
としての受け板12下面に点接触している。また、上部
球体13は加重受け部材としての受け板10上面に形成
された円錐状凹面10aに当たって線接触するとともに
予圧調整用螺子部材15先端面に点接触している。
【0014】なお、支持部材16、固定部材18間の防
水、防塵のため密着性を良くするようにOリング17が
支持部材16に嵌め込まれている。
【0015】このように、本例の磁歪素子を用いた圧力
センサは、ケーシング1、固定部材18等で覆われ密封
状態に構成され、図3のようにコイル6の巻線5に接続
された信号出力用の導線20が外部に導出されている。
【0016】なお、前記支持部材16は固定部材18に
対して超磁歪素子3の軸方向に摺動自在に支持されてお
り、ケーシング1底面と支持部材16間に外部からの被
測定圧力を印加することで、超磁歪素子3の軸方向に圧
力が伝達されるようになっている。
【0017】また、前記受け板9と受け板12間に介在
するみがき特殊鋼等の皿ばね11とにより、外部からの
圧力が加わらない場合においても中間部にある超磁歪素
子3へ、予圧を与える為の予圧機構が構成されている。
この予圧機構は皿ばね11の弾性変位により超磁歪素子
3及びこれに直列な各部材(受け板等)の熱収縮を吸収
する機能も有する。また、螺子部材15を回転すること
で、支持部材16からの先端面突出量を変化させ、超磁
歪素子3両端の遊びを無くするとともに、超磁歪素子両
端に加わる予圧を調整可能であり、予圧調整機構を成し
ている。
【0018】この実施の形態に係る超磁歪素子を用いた
圧力センサにおいて、ケーシング1底面と支持部材16
間に外部からの被測定圧力を印加すれば、超磁歪素子3
の軸方向に圧力が加わり、超磁歪素子3にかかる応力に
よる当該超磁歪素子の透磁率変化を、コイル6によりイ
ンダクタンスの変化として検出することができる。
【0019】なお、各永久磁石7,8として、一般的な
磁性材料であるフェライト磁石を用いることができる。
しかし、超磁歪素子3の透磁率変化に起因するインダク
タンスの温度変化低減を得るためには、希土類金属等の
強い磁場を持つ素材による希土類磁石の方が適してい
る。これらの永久磁石7、8は、超磁歪素子3の温度変
によるインダクタンス値の変化量を抑えるために、超磁
歪素子3の圧力印加軸方向に対して直列(略平行)に磁
界がかかるように超磁歪素子3を挟み込んだバイアス磁
石として設けられる。
【0020】本発明の実施の形態に係る磁歪素子を用い
た圧力センサの特性について図4及び表1、図5及び表
2を参照して説明する。但し図4及び表1は比較例であ
って磁界を印加しない場合の温度特性、図5及び表2は
バイアス磁界を印加した実施の形態の場合の温度特性で
ある。
【0021】まず、図4及び表1のバイアス磁界の無い
場合のインダクタンス値の温度変化を考察する。図4で
は横軸にセンサの周囲温度、縦軸はインダクタンス値
(μH)とした。超磁歪素子にかけた荷重は、それぞれ
0kgf、50kgf、100kgf、150kgf、
200kgfとし、それぞれに対する測定結果及び温度
係数は以下の表1に示す結果となった。この表1の結果
を図化したものが図4の特性曲線A〜Eである。
【表1】
【0022】図5及び表2については、外径5.6mm、
高さ15.2mmの超磁歪素子3を用い、磁石はネオジウ
ム磁石で残留磁束密度1,240(ミリテスラ)にて外
径12mm、高さ2mmを用いた。かけたバイアス磁石の磁
石間の中心でギャップ磁束密度は64.6(ミリテス
ラ)となった
【0023】超磁歪素子にかけた荷重は、それぞれ0k
gf、50kgf、100kgf、150kgf、20
0kgfとし、それぞれに対する測定結果及び温度係数
は以下の表2に示す結果となった。この表2の結果を図
化したものが図5の特性曲線a〜eである。
【表2】
【0024】本実施の形態とバイアス磁界の無い比較例
の温度に対するインダクタンスの変化量を比較してみる
と、バイアス磁石が有る場合には無い場合に対し温度係
数が各荷重において均一化されていて温度特性が大幅向
上していることが判る。このことにより、測定圧力の精
度向上が可能で、インダクタンス値を電圧値に変換する
等の処理を行うための電気信号の処理がし易くなる(例
えば温度補償が容易となる等)。
【0025】この実施の形態によれば、次の通りの効果
を得ることができる。
【0026】(1) 超磁歪素子3とこの周囲に配設され
た少なくとも1つのコイル6と超磁歪素子3の加重方向
に略平行にバイアス磁界を印加する永久磁石7,8とを
ケーシング1内に収納し、加重による超磁歪素子3の透
磁率変化を前記コイル6のインダクタンス変化として検
出する構成であり、超磁歪素子3の加重方向に略平行に
バイアス磁界を印加したことで、周囲温度変化に伴うコ
イル6のインダクタンス変化が少なくなり、測定精度の
向上、ひいては後段の電気回路の温度補償を容易とする
ことができる。
【0027】(2) 磁歪素子がランタノイド元素系及び
鉄族元素系を含む磁性体により柱状に形成されてなる超
磁歪素子であり、高感度の圧力検出が可能である。
【0028】(3) 超磁歪素子3に予圧を加えるととも
に膨張収縮を吸収する予圧機構をケーシング1内に設け
ており、この点でも温度変化に対する信頼性を確保でき
る。
【0029】(4) 加重方向と超磁歪素子3の中心軸方
向とが一致するように、超磁歪素子3の両端側の凹面形
状部を持つ受け板10、ケーシング1内側底面に対し
て、球体13,14をそれぞれ接触させて加重を印加す
る構成であり、超磁歪素子3にせん断方向の力が加わっ
て損傷する事故を防止できる。
【0030】なお、超磁歪素子3の両側の受け板10,
12に外部の加重を印加するために当接する1対の球面
状部材として球体13,14を用いたが、相手側の円錐
状等の凹面に接する半球面状部材としてもよい。
【0031】以上本発明の実施の形態について説明して
きたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記
載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当
業者には自明であろう。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る磁歪
素子を用いた圧力センサによれば、磁歪素子と該磁歪素
子の周囲に配設された少なくとも1つのコイルと前記磁
歪素子の加重方向に略平行にバイアス磁界を印加する永
久磁石とをケーシング内に収納し、加重による前記磁歪
素子の透磁率変化を前記コイルのインダクタンス変化と
して検出する構成としたので、前記バイアス磁界の前記
磁歪素子への印加により温度特性を改善し、出力特性の
安定度を増した磁歪素子を用いた被測定荷重量の検出値
を取得可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁歪素子を用いた圧力センサの実施の
形態を示す正断面図である。
【図2】実施の形態の外観を示す側面図である。
【図3】同平面図である。
【図4】バイアス磁界を印加しない比較例の場合の温度
特性図である。
【図5】バイアス磁界を印加した実施の形態の場合の温
度特性図である。
【符号の説明】
1 ケーシング 2 ヨーク 3 超磁歪素子 4 ボビン 5 巻線 6 コイル 7,8 永久磁石 9,10,12 受け板 11 皿ばね 13 上部球体 14 下部球体 15,19 螺子部材 16 支持部材 17 Oリング 18 固定部材 20 導線
フロントページの続き Fターム(参考) 2F055 AA40 BB20 CC11 DD01 EE21 EE29 FF01 5E041 AA11 AA14 AA17 AA19 BD00 CA10

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 磁歪素子と該磁歪素子の周囲に配設され
    た少なくとも1つのコイルと前記磁歪素子の加重方向に
    略平行にバイアス磁界を印加する永久磁石とをケーシン
    グ内に収納し、加重による前記磁歪素子の透磁率変化を
    前記コイルのインダクタンス変化として検出することを
    特徴とする磁歪素子を用いた圧力センサ。
  2. 【請求項2】 前記磁歪素子はランタノイド元素系及び
    鉄族元素系を含む磁性体により柱状に形成されてなる超
    磁歪素子である請求項1記載の磁歪素子を用いた圧力セ
    ンサ。
  3. 【請求項3】 前記磁歪素子に予圧を加えるとともに膨
    張収縮を吸収する予圧機構を前記ケーシング内に設けた
    請求項1又は2記載の磁歪素子を用いた圧力センサ。
  4. 【請求項4】 加重方向と前記磁歪素子の中心軸方向と
    が一致するように、前記磁歪素子の両側の加重受け部材
    に球面状又は半球面状部材をそれぞれ当接させて加重を
    印加する請求項1,2又は3記載の磁歪素子を用いた圧
    力センサ。
JP11067787A 1999-03-15 1999-03-15 磁歪素子を用いた圧力センサ Withdrawn JP2000266621A (ja)

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