JPH0249132A - 力学量センサ - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、力学量センサに係り、特にアモルファス金属
または合金の磁歪効果を利用して荷重を検出する力学量
センサに関する。

（従来の技術） 最近、アモルファス状態の金属および合金が、優れた軟
磁性材料として注目されており、機械的強度が高く、大
きな磁歪効果を持つことから、力学量（機械量）−電気
量変換特性を利用した力学量センサに使用するためいろ
いろな研究が重ねられている。

その１つに、アモルファス合金に外部から圧力が与えら
れると応力−磁気効果（磁歪効果）により、その磁気特
性が変化するのを利用し、この変化を検出コイルのイン
ピーダンス変化として電気的に検出するようにしたもの
が提案されている（特開昭６０−８８３３６号公報）。

このセンサは、第８図に示すように、応力磁気効果を有
するアモルファス磁性合金円板５１を、円柱状の軟磁性
体５２に配設された円環状の溝５３の開口面に当接させ
ると共に、軟磁性体５２の溝５３内にコイル５４を巻装
してなるもので、この講５３内には一端が講５３の底部
に接し他端が軟磁性体５２の溝５３の開口面の位置にく
るように配設された非磁性リング５５が装着されている
。

そしてこのセンサは容器５６とアモルファス磁性合金円
板５１に圧力を伝達する透過口５７ａを有する蓋部５７
ｂとで構成される空間内に配置されている。ここでは圧
力が油圧導入口５８に加わると、透過口５７ａを介して
圧力がアモルファス磁性合金円板５１に加わり、これを
軟磁性体５２の溝５３内に押し下げ、アモルファス磁性
合金円板５１内に応力が発生する。この内部応力の発生
で応力磁気効果によりアモルファス磁性合金の透磁率が
減少する。この透磁率の変化をコイル５４を用いてイン
ダクタンスの形で検出し油圧等の圧力を測定するように
なっている。

このようなセンサでは、非磁性リング５５の厚さを調整
することにより、たわみ変形する部分が変化し、測定圧
力範囲を調整することができる。

従って、非磁性リング５５を入れ換えるだけで、測定圧
力範囲の異なる圧力センサとしての使用が可能となる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このセンサでは、透過口５７ａを介して
アモルファス磁性合金円板５１に加えられる圧力を検出
するため、流体の圧力しか測定できず、同じ力学量であ
りながら、荷重のような固体の圧力は測定できないとい
う問題があった。

また、それぞれ独立に形成されたコイルとアモルファス
磁性合金円板５１と軟磁性体５２とによって磁気回路が
構成されているため、繰り返し応力がこれらの部材に印
加された場合、特にアモルファス磁性合金円板５１と軟
磁性体５２との相対位置変動が誘起され、力学量検出に
大きな誤差を生じる要因となる。

さらに、アモルファス磁性合金円板以外に軟磁性体が必
要であるため、大形となり、設置スペスが増大するとい
う問題もあった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、小形で高
精度の力学量センサを提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） そこで本発明では、アモルファス磁性金属またはアモル
ファス磁性合金からなる磁歪材を上部治具と下部治具と
の間に挾持させてなる起歪部と、励磁コイルと検出コイ
ルとからなるコイル部とによって力学量センサを構成し
、前記磁歪材に厚さ方向に印加される圧力による透磁率
の変化を前記磁歪材とコイルとから形成された磁気回路
におけるコイルのインダクタンス変化として検出するよ
うにして、さらに、アモルファス磁性金属またはアモル
ファス磁性合金からなる磁歪材と、上部治具と下部治具
との間は、熱硬化性接着剤によって固着されている。

また、本発明では、アモルファス磁性金属またはアモル
ファス磁性合金からなる磁歪材を、上部治具と下部治具
との間に挾持させてなる起歪部が中央に穴のあいたドー
ナッツ形状のリングを構成してなり、コイルがこのリン
グの周りに巻回されている。

（作用） 上記構成により、荷重などの応力が印加されると、磁歪
部に圧縮応力が印加され、アモルファス磁性金属または
アモルファス磁性合金からなる磁歪材の面内には張力が
印加された内部応力状態となる。この内部応力状態によ
って生じる磁気異方性により、磁気回路方向の透磁率が
変化し、この変化をコイルのインピーダンス変化として
検出することができる。このため、前述したような従来
の力学量センサのような軟磁性体は不要となり、構造が
簡単で小形の力学量センサを得ることができる。また、
繰り返し応力がこれらの部材に印加された場合にも、精
度の低下を生じることなく測定することが可能であり、
さらに、本発明では、アモルファス磁性金属またはアモ
ルファス磁性合金が面内に圧縮歪を受けると、一般に厚
み方向に磁気異方性が生じるため、予め、厚さ方向の磁
気異方性エネルギーを十分に高くとれば、磁気異方性の
方向は変化しにくくなり、圧力による磁気特性の応力感
度が低下するという事実に着目し、線膨脹係数の差によ
る歪をあらかじめ磁歪材に加えておくようにし、磁気異
方性の方向変化による測定誤差を防止している。すなわ
ち、アモルファス磁性金属またはアモルファス磁性合金
からなる磁歪材は、上部治具と下部治具との間を、熱硬
化性接着剤によって固着される際、線膨脹係数の差によ
って歪を受け、厚み方向に大きな磁気異方性が生じる。

この結果圧力による磁気特性の応力感度が低下し、見か
け上のりニアリテイが向上する。

従って、高精度の力学量センサを得ることが可能となる
。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

実施例１ 本発明の第１の実施例の荷重センサは、第１図（ａ）に
構造説明図、第１図（ｂ）に斜視図、第１図（ｃ）にそ
の要部説明図を示すように、厚さ３０μｍのドーナッツ
状の鉄系アモルファス磁性合金（Ｆｅｏ、　９５ＣＯ０
，０５＞　７．ｓ！ｘｚ、　ｓ　Ｂｓ、　ｓからなる磁
歪材１を厚さ０．５ｍｍのチタン合金からなる上部治具
２および下部治具３で挾み、熱硬化性接着剤Ｓで固着し
てなる起歪部と、この上部治具２および下部治具３の外
面の一部に形成された溝部Ｖに励磁コイルと検出コイル
とを巻回して形成したコイル部４とから構成されており
、磁気回路が磁歪材１に沿って形成されている。

そしてこの下部治具３は上面に、磁歪材を装着可能な凹
部３１を有し、さらに上部治具２は下面にこの四部３１
に嵌合可能な凸部２１を有し、磁歪材を挾んだ状態で熱
硬化性接着剤Ｓによってこれらが一体的に固着されてい
る。

またこの鉄系のアモルファス磁性合金の線膨脹係数は、
８Ｘ１０　　　、チタン合金からなる上部治具２および
下部治具３の線膨脹係数は、９×１０−６程度である。

そしてこれらは接着に際し、１５０°Ｃ程度の加熱工程
を経、アモルファス磁性合金からなる磁歪材は、第２図
に示すように、線膨脹係数差による歪を受け、使用温度
を３０℃とすると、 （１５０−３０）Ｘ（９Ｘ１０　６−８Ｘ１０−６）　
　　　＝１３０ｘｌＯ”５ｔｒａｉｎの面内歪を受け、
厚み方向に磁気異方性を生じる。

すなわち、■アモルフ、アスより大きい線膨脹を持つ部
付に■使用環境よりも高温度で接着することにより、（
接着温度−使用環境下温度）Ｘ線膨張差分の歪を与える
ものである。このようにして形成された力学量センサに
おける加重印加時におけるコイルのインダクタンス変化
特性すなわち荷重−インダクタンス特性および磁場−イ
ンダクタンス（Ｂ−Ｈ）特性を第３図（ａ＞および第４
図（ａ）に示す。また、比較のために１５０℃の加熱工
程を付さずに形成した同様の力学量センサにおける荷重
−インダクタンス特性およびＢ−Ｈ特性を第３図（ｂ）
および第４図（ｂ）に示す。これらの比較からも、本発
明実施例の力学量センサによればリニアリティが極めて
良好となっていることがわかる。またこの力学量センサ
によれば零点のばらつきもなく良好なセンサ特性を得る
ことができる。

さらに、この荷重センサでは、直流成分と交流成分との
両方の荷重を高感度かつ高精度で検出することが可能で
あり、アモルファス磁性合金とコイルとの磁気回路から
なる簡単なトランスジューサ構造であるため、安価な荷
重センサを供給することができる。また、第３図（ａ）
および第４図（ａ）からもわかるように、低荷重印加領
域での変化が極めて大きいなめ、荷重スイッチとして特
に優れている。また、測定荷重範囲についてもアモルフ
ァス磁性合金の受圧部面積の変更により調整可能である
。

なお、実施例では、この鉄系のアモルファス磁性合金と
、上部治具２および下部治具を構成するチタン合金との
線膨脹係数の差は、１×１０−６程度であったが、この
差は±２Ｘ１０　　”以下にするのが望ましい。この線
膨脹係数の差が±２×１０−６以上であると、インダク
タンス値は複雑な変化を示し、センサ特性が低下する。

また、実施例では、磁歪材は一枚のアモルファス磁性合
金で構成し、熱硬化性接着剤によって上部治具と下部治
具を固着したが、上部治具と下部治具を磁歪材を挾んで
強固に嵌合させることによって起歪部を構成しても良い
。

実施例２ 本発明の第２の実施例の荷重センサは、第５図に要部説
明図を示すように、厚さ３０μｍのドーナッツ状を有す
る５枚の鉄系アモルファス磁性合金（Ｆｅｏ、　９５Ｃ
ＯＯ，ｏｓ）　７９ｓ！ｔ２．　ｓ　８８．５からなる
磁歪材１０を、厚さ０．５ｍｍの黄銅からなる上部治具
２０および下部治具３０で挾み、一体的に固着して形成
したもので、他の部分については実施例１に示した荷重
センサと同様に構成されている。同一部材には同一符号
を付した。

この下部治具３０は上面に、磁歪材を装着可能な凹部３
２を有し、さらに上部治具２０は下面にこの凹部３２に
強固に嵌合可能な凸部２２を有し、磁歪材を挾んだ状態
で嵌合同着されている。

また、ここではコイル部４と磁歪材１０とで、完全な閉
磁路を形成するように、アモルファス磁性合金を５枚重
ねて磁歪材を構成している。

この荷重センサの荷重−インダクタンス特性を第６図（
ａ）および第６図（ｂ）に示す。この時の測定条件は測
定周波数は約０．０５Ｈｚ、電流はそれぞれ±１００ｍ
Ａ、±１０ｍＡとした。

さらに、上部治具２０および下部治具３０を黄銅に替え
て、ステンレス（ＳＵＳ３０４）で構成し、他の部分は
全く同様にして構成した場合の荷重センサの荷重−イン
ダクタンス特性を第７図（ａ）に示す。この時の測定条
件は測定周波数は約０．０５Ｈｚ、電流は±１０ｍＡと
した。また、この荷重センサのＢ−Ｈ特性を電流をＩＡ
、Ｏ。

ｉ、１０ｍＡと変更した場合について測定した結果を第
７図（ｂ）乃至第７図（ｄ）に示す。なお、このときコ
イル部４は、７０ターンの１次コイルの上に７０ターン
の２次コイルを巻回して使用するものとする。

これらの測定結果からもわかるように、アモルファス磁
性合金の厚み方向の圧縮により、透磁率が変化し、イン
ダクタンスの変化として高精度に荷重を測定することが
できる。

なお、実施例１では磁歪材と上部治具および下部治具と
の線膨脹係数の差は±１×１０−６程度とし、この差を
積極的に利用し、接着による厚み方向の磁気異方性エネ
ルギーを十分に高くとることにより磁気異方性の方向が
変化しにくくなるようにしたが、実施例２の場合は、温
度ドリフトを低減するなめ、磁歪材と上部治具および下
部治具との線膨脹係数はほぼ等しくなるようにするのが
望ましい。

なお、前記実施例では、飽和磁性定数が正の値を有する
鉄系アモルファス磁性合金を磁歪材として用いたが、こ
の他飽和磁性定数が負の値を有するコバルト系アモルフ
ァス磁性合金など、他のアモルファス磁性金属あるいは
アモルファス磁性合金を用いても良い。

さらに、磁歪材を挾持する上部治具および下部治具とし
ては、チタン合金、黄銅、ステンレスを用いたが、剛性
があり、かつ磁性を持たない材料であれば他の金属、ま
たは石英、アルミナ等のセラミックスあるいは崩脂など
でも良い。

加えて、実施例では、荷重（いわゆる正の荷重）を加え
る場合にその計測が可能を力学量センサについて説明し
たが、いわゆる負の荷重の計測も可能である。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明の力学量センサによれ
ば、アモルファス磁性金属またはアモルファス磁性合金
からなる磁歪材を上部治具と下部治具との間に挾持させ
てなる起歪部と、励磁コイルと検出コイルとからなるコ
イル部とによって力学量センサを構成し、前記磁歪材に
厚さ方向に印加される圧力による透磁率の変化を前記磁
歪材とコイルとから形成された磁気回路におけるコイル
のインダクタンス変化として検出するようにしているた
め、構造が簡単で、直流成分および交流成分の両方の検
出が可能な小形の力学量センサを得ることができる。ま
た、繰り返し応力がこれらの部材に印加された場合にも
、治具と磁歪材との相対的位置変動が生じることがない
ので精度の低下を生じることなく測定することが可能で
あり、さらに、本発明では、アモルファス磁性金属また
はアモルファス磁性合金からなる磁歪材と、上部治具と
下部治具との間は、熱硬化性接着剤によって加熱工程を
経て固着されているため、圧力による磁気特性の応力感
度が低下し、見かけ上のリニアリティが向上し、高精度
の力学量センサを得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至第１図（ｃ）は、それぞれ本発明の第
１の実施例の荷重センサの構造説明図、斜視図、および
要部説明図を示す図、第２図は加熱工程によって磁歪材
が受ける歪を示す説明図、第３図（ａ）は第１図に示し
た荷重センサのインダクタンスの変化特性を示す図、第
４図（ａ）は同荷重センサのＢ−Ｈ特性を示す図、第３
図（ｂ）および第４図（ｂ）はそれぞれ磁歪材と上部治
具および下部治具との間を加熱固着しなかった場合のイ
ンダクタンスの変化特性およびＢ−Ｈ特性を示す比較図
、第５図は本発明の第２の実施例の荷重センサを示す図
、第６図（ａ＞および第６図（ｂ）は本発明の第２の実
施例の荷重センサの荷重−インダクタンス特性を示す図
、第７図（ａ＞は本発明の第２の実施例の荷重センサの
上部治具および下部治具をステンレスで構成した場合の
荷重センサの荷重−インダクタンス特性を示す図、第７
図（ｂ）乃至第７図（ｄ）はこの荷重センサのＢ−Ｈ特
性を電流を変化させて測定した結果を示す図、第８図は
従来例の荷重センサを示す図である。 １・・・磁歪材、２・・・土部治具、３・・・下部治具
、４・・・コイル部、Ｓ・・・熱硬化性接着剤、■・・
・溝部、３１・・・凹部、２１・・・凸部、１０・・・
磁歪材、２０・・・土部治具、３０・・・下部治具、２
２・・・凸部、３２・・・凹部、５１・・・アモルファ
ス磁性合金円板、５２・・・軟磁性体、５３・・・溝、
５４・・・コイル、５５・・・非磁性リング、５６・・
・容器、５７ａ・・・透過口、５７ｂ・・・蓋部、５８
・・・油圧導入口。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アモルファス磁性金属またはアモルファス磁性合
   金からなる磁歪材を上部治具と下部治具との間に挾持す
   ると共に熱硬化性接着剤によってこれらを一体的に固着
   してなる起歪部と、この磁歪材との間で閉磁路を構成す
   るコイル部とを具備し、前記磁歪材に厚さ方向に印加さ
   れる圧力による透磁率の変化を前記磁歪材とコイルとか
   ら形成された磁気回路におけるコイルのインダクタンス
   変化として検出するようにしたことを特徴とする力学量
   センサ。
2. （２）前記起歪部は、中央に穴のあいたドーナッツ形状
   のリングを構成してなり、前記コイル部がこのリングの
   周りに巻回されていることを特徴とする請求項（１）に
   記載の力学量センサ。