JPH0222524A - アモルファス応力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ｍ梁上の利用分野） 本発明は、重量や張力や圧力等を検出することができる
アモルファス応力センサに関する。

（従来の技術） アモルファス合金をトロイダル状に巻き、これを応力セ
ンサや変位トランスデユーサに応用する技術が既に知ら
れている。第１２図、第１３図はこのようなアモルファ
ス合金を利用した応力センサの基本形を示す。第１２図
、第１３図において。

トロイダル状に巻いたアモルファス合金の強磁性体から
なる磁心１には検出コイル２が巻回されている。検出コ
イル２の両端は、直列接続された二つのコンデンサＣ，
，Ｃ，と増幅器１ｏでなる発振回路に接続されている。

上記基本形において、発振回路の出力の周波数ｆは、 であり、上記Ｃは、 Ｃ１Ｇ。

Ｃ＝− ｃ１＋　ｃｚ　　　　　　　　　　　　　（２）である
。アモルファス合金からなるトロイダル状の磁心１に応
力Ｐが加わって磁心１が変形すると磁心１の透磁率が変
化する。この透磁率の変化にともないコイル２のインダ
クタンスＬが変化し、上記発振回路の発振周波数が変化
する。そこで、発振周波数をカウントしながらそのカウ
ント値の変化を検出することにより磁心１に加わる応力
を検出することができる。

（発明が解決しようとする課題） アモルファス合金は高透磁性であり、かつ、非結晶であ
るため、ある応力下での透磁率が平衡に達して出力が安
定するまでに１００ないし２００ｓｅｃ程度の時間を要
するという問題点があった。また、外部磁界にたいして
極めて敏感であり、おずかな外部磁界の変化があっても
出力が変動するという問題点があると共に、外部磁界と
は関係のない周波数の「ゆらぎ」があった、さらに、応
力Ｐに対する周波数出力の変化幅、即ち、感度は、アモ
ルファスの組成やトロイダル数、トロイダル径、検出コ
イルのターン数、その他の部材等によって決定されるの
で、同一形状においてより高感度のセンサを作ることは
難しかった。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解消するためにな
されたもので、応力Ｐに対して透磁率が平衡状態に達す
るまでの所要時間を短縮し、従って応答を敏速にし、ま
た、外部磁界に対して透磁率を安定化させることにより
、出力の経時変化及び出力の変動や「ゆらぎ」を抑える
こと、そして、周波数変化幅を大きくして感度を高める
ことができるアモルファス応力センサを提供することを
目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、アモルファス合金からなるトロイダル状の磁
心にコイルを巻回し、このコイルから上記磁心に加わる
外力や変位等の応力による磁気的変化を検出する応力セ
ンサであって、上記トロイダル状の磁心の応力印加方向
に対し垂直方向に磁界を印加する磁界発生手段を設けた
ことを特徴とする。

（作用） アモルファス合金からなる磁心に応力がかかると応力に
応じて磁心の透磁率が変化する。この透磁率の変化は磁
心に巻き回したコイルの出力から周波数の変化や電圧の
変化等として検出することができ、これによって磁心に
かかる応力を検出することができる。磁心には予め応力
印加方向に対し垂直方向に磁界が印加されているため、
磁気的に平衡状態にあって安定しており、印加された応
力に応じて透磁率が敏速に変化する。また、予め磁界が
印加されていることにより、印加された応力に対する周
波数の変化幅が大きくなると共に。

外部磁界の影響を受けにくくなる。

（実施例） 以下、本発明にかかるアモルファス応力センサの実施例
について説明する・ 第１図、第２図において、トロイダル状に巻いたアモル
ファス合金の強磁性体からなる磁心１には検出コイル２
が巻回され、検出コイル２の両端は、直列接続された二
つのコンデンサＣ１，Ｃ２と増幅器１０でなる発振回路
に接続されている。これら磁心１、検出コイル２及び発
振回路からなる構成部分は第１２図、第１３図に示した
アモルファス応力センサの基本形と同じである。しかし
、上記実施例は、上記トロイダル状の磁心１に、その応
力Ｐの印加方向に対し垂直方向に磁界Ｈを予め印加する
ための磁界発生手段を設けた点が第１２図、第１３図の
基本形と異なる点である。磁界発生手段はマグネット（
永久磁石）でもよいし、ヘルムホルツコイルでもよい。

磁界Ｈは直流磁界とし、その向きは問わない。

第３図ないし第５図は、上記実施例をより具体化した例
を示す。第３図ないし第５図において。

アモルファス合金からなるトロイダル状の磁心１には検
出コイル２が巻回され、上記磁心１の上下には同磁心１
を挾み込むようにして受は板３が配置され、この上下の
受は板３の間には磁心１の両側において同磁心１と並列
的に、同磁心１に加わる応力Ｐを受けるための圧縮コイ
ルばね４が配置されている。上記受は板３は非磁性金属
あるいは樹脂等によって作る。下側の受は板３はＵ字状
のヨーク５の内底部に固定されている。ヨーク５の両側
の互いに対向する立上り部５ａの内面側には磁心１を左
右から挾み込むようにして磁界発生手段としてのマグネ
ット６が固定されている。各マグネット６は厚さ方向、
即ち第４図において左右方向に着磁され、磁心１に一定
の磁界Ｈを印加するようになっている。この磁界Ｈの印
加方向は。

磁心１に加わる応力Ｐの方向に対し垂直な方向である。

次に、上記実施例の動作について説明する。

まず、出力の経時変化及び外部磁界の影響による出力の
変動や「ゆらぎ」の改善について説明する。第６図は、
磁界Ｈを印加する前の応力Ｐと、検出出力である発振周
波数ｆとの関係を示すもので、一定の応力Ｐを印加して
も、透磁率が平衡に達するまでに時間を要することから
、原点復帰が難しく、ヒステリシスを生じている。これ
に対して第７図は本発明のように磁心に応力印加方向に
対し垂直方向に磁界を印加した場合の応力Ｐと出力の発
振周波数との関係を示すもので、曲線の傾きが逆、即ち
応力Ｐに対する発振周波数ｆの変化が逆になると共に、
原点復帰及びヒステリシスが著しく改善され、出力の経
時変化がほとんどなくなっていることがわかる。

また、発振周波数の「ゆらぎ」の原因は必ずしも明確で
はないが、次のような原因が考えられる。

１）アモルファスの切断面の応力歪 アモルファスの切断の際、切断面に歪が残り、透磁率が
部分的に不規則となる。

２）トロイダル形状に起因するもの 磁心はアモルファス合金をトロイダル状に数１０層に巻
いて形成するが、各層間は絶縁されておらず、また、厳
密に一定応力下で巻くことは不可能なため、眉間にμｍ
オーダーの隙間があり、応力下ではこの隙間の位置や大
きさが微妙に変化し、これが「ゆらぎ」の原因となる。

一方、アモルファス層間に絶縁層を介在させると、アモ
ルファス層間が相互に開いてしまい。

透磁率が低下して感度が低下してしまう。

しかるに、本発明のように磁心の応力印加力向に対し垂
直方向に磁界を印加すると１発振周波数の経時変化がな
くなると共に、発振周波数の「ゆらぎ」もなくなる。

また、アモルファス合金は高透磁性のため、その近傍に
鉄のような磁性体があるだけで透磁率が変化し出力の周
波数が変化する。外部からは地磁気を初めとして種々の
磁束が飛び込んでくる。磁心に予め磁界を印加しない場
合はこれらの磁束の影響を受けて出力が変化してしまう
。しかるに、本発明は、逆に、常に一定の磁界を印加し
て磁気的な特性をある程度安定させればよいという発想
の下に磁界発生手段を設けた。これによって外部磁界が
飛び込んでも磁気的特性が安定しており、出力が変動す
ることはなくなる。

次に、本発明による感度の向上に関して説明する。アモ
ルファス応力センサの感度は、アモルファス材質により
多少変動するが、磁界の印加前は第８図に示すように０
．５ないし１．５Ｈｚ／ｇｆであった。

しかるに、本発明のように磁界を印加すると、第９図に
示すように感度が４　、２Ｈｚ／ｇｆ程度に向上する。

この感度が向上するメカニズムは必ずしも明らかではな
いが１次のように考えられる。アモルファス合金は非晶
質のため原子配置が無秩序となっており、結晶磁気異方
性が極めて小さく理論的にはゼロであり、各原子に固有
の磁気モーメントはいろいろな方向を向いていると考え
られる。アモルファスをトロイダル状に巻き、そこに応
力σを印加するとアモルファス中に内部応力を生じる。

内部応力と結晶磁気異方性定数の間には次の（３）式の
関係がある。

Ｋ＝　（３／２）λσ　　　　　　　（３）ただし、Ｋ
；結晶磁気異方性定数 λ；磁歪　　σ；内部応力 ＣＯ系のアモルファスでは、磁歪はほとんどゼロである
が、応力の増加に伴い結晶磁気異方性定数が増す。即ち
磁気異方性が大きくなる。具体的には、磁心の外側は張
力により、内側は圧縮力により磁気異方性が導かれると
考えられる０次に、磁壁エネルギーγと磁気異方性定数
にとの関係をみると、 γ＝４ｉ　　　　　　　　　　（４） となる。ただし、Ａは交換力定数である。応力がゼロの
場合、磁壁エネルギーγは（４）式にしたがって低く、
磁壁移動がスムーズである。応力がかかるに従って磁気
異方性定数Ｋが増加し、磁壁エネルギーが高くなる。磁
壁は磁壁エネルギーが高いところにしか存在できないの
で、応力のがかった状態では磁壁はある限られた範囲に
しか存在できなくなる、磁壁が自由に動くことができる
状態は透磁率μが大きく、応力がかかって磁壁が自由に
動くことができない状態では透磁率μは低くなる。透磁
率μは周知のようにコイルのインダクタンスＬと比例関
係にあり、従って、磁心に磁界を印加しない場合は、第
８図に示すように、応力に対する発振周波数の関係を示
す曲線の傾きは正となる。

しかるに、本発明のように磁心の応力印加方向に対し垂
直方向に磁界を印加すると、アモルファスの層方向に磁
気モーメントが揃い５強い一軸異方性が導かれる。その
ため、−軸異方性定数が大となり、（４）式にしたがっ
て磁壁エネルギーが増加し、磁壁は強くピンニングされ
る。その結果。

磁心の透磁率が下がり、応力ゼロの状態で磁界を印加し
ない場合に比べ発振周波数が１．５ないし２．０倍径度
に上がる。従って、印加される応力の変化に対する発振
周波数の変化量が大きくなり、結果として感度が向上す
る。磁心に磁界を印加した状態で応力を印加すると、（
３）式にしたがって磁気異方性が導かれる。この方向は
アモルファスリボンの面に沿っているので磁界を印加し
た方向とは異なり、全体的には多軸異方性となる。多軸
異方性は、−軸異方性に比べて異方性エネルギーが低下
し、磁壁エネルギーが減少する。これにより、非常に動
きにくかった磁壁はある程度自由になり、透磁率が上が
る。その結果１発振周波数が低下し、応力変化に対する
発振周波数の変化を示す曲線は、第９図のように磁界を
印加しない場合に対して傾きが逆になる。

次に、本発明の変形実施例について説明する。

第１０図の例は、トロイダル状のアモルファス合金から
なる磁心１と両側の圧縮コイルばね４との間に磁界発生
手段としてのマグネット７を配置したものであり、他の
構成は第３図ないし第５図の実施例と変わりがない。

第１１図の実施例は、磁心１の背後にマグネット８を配
置し、マグネット８の両端から一体に前方に伸ばしたヨ
ーク９によって磁心１を挾み込んだものである。磁心１
にはヨーク９を介して磁界Ｈが印加される。この磁界Ｈ
の方向は、磁心ｌに印加される応力Ｐの方向に対して垂
直な方向である６以上述べた第１０図及び第１１図の実
施例の場合も前述の実施例と同様の作用効果を奏する。

なお、出力信号としては１周波数の変化に限られるもの
ではなく、電圧の変化として取り出してもよい。

（発明の効果） 本発明によれば、アモルファス合金からなるトロイダル
状の磁心に応力印加方向に対し垂直方向に磁界を印加す
るようにしたため、出力信号の「ゆらぎ」がピンニング
されると共に、応力変化に対する応答を敏速化すること
ができるし、外部磁界に対する影響を無くすこともでき
る。また、出力として発振周波数をとる場合、磁心に磁
界を印加することによって磁心の透磁率が著しく低下し
、発振周波数が増大するため、検出感度を向上させるこ
とができると共に、ノイズの面からも有利となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるアモルファス応力センサの基本
形を示す斜視図、第２図は同上回路図、第３図は本発明
にかかるアモルファス応力センサの具体例をを示す斜視
図、第４図は同上正面図、第５図は同上側面断面図、第
６図は磁心に磁界をかけない場合の応力対発振周波数の
関係を示す線図、第７図は磁心に磁界をかけた場合の応
力対発振周波数の関係を示す線図、第８図は磁心に磁界
をかけない場合の感度を示す線図、第９図は磁心に磁界
をかけた場合の感度を示す線図、第１０図は本発明にか
かるアモルファス応力センサの別の実施例を示す正面図
、第１１図は本発明にかかるアモルファス応力センサの
さらに別の実施例を示す平面図、第１２図はアモルファ
ス応力センサの基本形を示す斜視図、第１３図は同上回
路図である。 １・・・・磁心　２・・・・コイル　６，７，８，９・
・・・磁界発生手段 瑯６ 図 ん カ Ｐ（ドａｆ） 馬４０ 図 図 ん・力Ｐ（￥３．ｆ） 筋 図 馬 図 爬１ 乃 Ｐ（時の 図 ん勾　Ｐ（ド３ｆ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アモルファス合金からなるトロイダル状の磁心にコイル
   を巻回し、このコイルから上記磁心に加わる外力や変位
   等の応力による磁気的変化を検出する応力センサであっ
   て、上記トロイダル状の磁心の応力印加方向に対し垂直
   方向に磁界を印加する磁界発生手段を設けたことを特徴
   とするアモルファス応力センサ。