JPH0448177B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、非晶質磁性合金を用いた力学量−イ
ンダクタンス変換型センサにおける検出方法に関
するものである。

従来例の構成とその問題点 従来、非晶質磁性合金の磁歪効果を用い、各種
の応力や歪の検出センサが提唱されている。その
検出方法は、非晶質磁性合金を少なくとも一部に
有する磁気回路の磁気特性の変化を検出するもの
であり、被検出応力による非晶質磁性合金の磁歪
効果に起因する磁気回路のインダクタンス変化を
検出するために、交流磁界が磁気回路に印加され
る。しかしながら、従来の方法においては感度再
現性・温度特性において問題が残されていた。

発明の目的 本発明は、感度、再現性、温度特性の改善され
た、非晶質磁性合金応用センサを用いた検出方法
を提供するものである。

発明の構成 本発明においては、非晶質磁性合金を含む磁気
回路を備えたセンサのインダクタンス値検出にあ
たつて、直流磁界を重畳した交流磁界を用いる。
この直流磁界は、非晶質磁性合金部でその最大透
磁率を示す磁界以上で、飽和磁化の95％が誘起さ
れる磁界以下の範囲とする。

実施例の説明 第１図は非晶質磁性合金の磁歪効果を用いた圧
力センサを示した図である。図において、１は磁
歪を有する非晶質磁性合金、２は軟磁性フエライ
トでこの両者で磁気回路を構成している。３はこ
の磁気回路を励磁するコイルであり、全体はケー
ス４に納められている。圧力は導入部５より透孔
６を通じて非晶質磁性合金１に加えられる。７は
シール用のＯリングである。圧力の印加に伴い非
晶質磁性合金１中に歪が発生すると、磁歪効果に
より非晶質磁性合金１の磁性が変化し、インダク
タンス測定回路８により検出されるインダクタン
ス値が変化する。これより圧力がインダクタンス
の形で検出される。

第２図は上記インダクタンス測定回路８の回路
図である。図において、１０は圧力センサの磁気
回路を励磁するコイル、１１は直流定電圧電源、
１２は交流定電圧電源、１３は直流定電圧電源１
１からコイル１０に直流電流を供給し直流磁場を
与える抵抗、１４は測定用交流磁場を与える交流
電流を交流定電圧源１２から供給するコンデン
サ、１５はセンサの出力電流を電圧に変換する微
小抵抗、１６は出力電圧の交流成分を抽出するコ
ンデンサ、１７は微小抵抗１５に発生する交流電
圧を測定する高インピーダンス入力の交流電圧測
定器、１８は交流電圧測定器１７のデジタル出力
を入力とするマイクロコンピユータ、１９はマイ
クロコンピユータ１８の出力を表示する表示装置
である。マイクロコンピユータ１８は、交流電圧
測定器１７のデジタル出力を入力された場合に、
その入力に対応するインダクタンス値あるいは圧
力値を出力するようにプログラムされている。

直流定電圧電源１１からの直流電流は抵抗１
３、抵抗１５およびセンサ部の直流抵抗が変化し
ないので一定で、その結果センサに加わる直流起
磁力は一定である。一方、交流定電圧電源１２か
らの電圧振幅は一定であるが、印加圧力によりセ
ンサのインピーダンスが変化するため交流電流値
は変化する。すなわち応力が発生した場合には交
流磁界振幅はやや大きくなる。

しかしながら、このセンサのインダクタンス値
検出において、従来行われていたように第３図の
ような通常の交流磁界を用いるとその出力は小さ
く、また再現性も悪くヒステリシアスが発生し、
温度特性も良くない。

第４図はこの交流磁界だけで測定した場合の圧
力に対するインダクタンス値変化を実測した例で
ある。矢印は測定の順序を示している。

第５図は本発明による検出方法のインダクタン
ス検出磁界を示している。通常の交流磁界に直流
磁界Hdcを重畳している。

第６図は圧力センサが直流バイアス電流、すな
わち直流バイアス磁界に対して、そのインダクタ
ンスがどのように変化するのかを測定した結果で
ある。インダクタンスの測定は30℃において、一
定電圧振幅、20kHzの交流電源により、センサ印
加圧力が０気圧、30気圧時に行つた。横軸は加え
た直流バイアス電流である。また横軸には、０気
圧における非晶質磁性合金に加わる直流バイアス
磁界について、非晶質磁性合金単体での測定結果
から類推される直流磁界値を同時に示した。ここ
では０気圧時に1mAが0.50eに相当する。直流バ
イアス電流は第２図に示したセンサのインダクタ
ンス測定回路から分かるように、センサ印加圧力
が変化しても直流抵抗分は変化しないので一定で
ある。したがつて第６図の０気圧と30気圧の縦方
向のインダクタンス値の変化がセンサ出力に相当
する。

この実験結果からも、前述のように通常の交流
磁界だけでの測定では、０気圧と30気圧のインダ
クタンス値の変化が小さいことが分かり、センサ
出力が小さいことが示される。そして重畳直流電
流を増すと、すなわち重畳直流磁界を増すと、イ
ンダクタンス値が減少し始める付近より０気圧と
30気圧のインダクタンス値変化がすなわちセンサ
出力が増加し始め、最大値を取つた後、減少して
いくことも分かる。インダクタンス変化のメカニ
ズムについては現時点で必ずしも明らかではない
が、現在提案されているモデルに従えば、インダ
クタンス値が減少を始める付近は非晶質磁性合金
の磁化過程が低重畳直流磁界での磁壁移動に基づ
くものから、高重畳直流磁界での回転磁化過程に
基づく変化に移行する領域と考えられる。

このようなセンサ出力の増大すなわち印加圧力
によりセンサの直流バイアス特性の変化が生ずる
のは次のようなことが原因と考えられる。

センサは一つの磁気回路を構成しており、この
磁気回路にはコイルに加えられる起磁力と磁気抵
抗で決まる磁束が流れる。センサは非晶質磁性合
金とフエライト部分よりなるが、それぞれが磁気
抵抗部品となる。ここで軟磁性フエライトは圧力
に対して磁気抵抗の変化はないが、非晶質磁性合
金は圧力により大きく磁気抵抗が変化する。すな
わち非晶質磁性合金に圧力が加わり応力が発生す
ると、非晶質磁性合金中ではその応力により磁壁
が固定され、磁区構造が固定化され、直流磁気抵
抗が大きくなる。バイアス電流が一定の場合、直
流起磁力は一定だから、磁気抵抗の大きさにより
印加される磁界が分配される。すなわち圧力の印
加によつて、同じ重畳直流電流を加えても、非晶
質磁性合金に加わる直流磁界が０気圧時に比べて
増加する。その結果、30気圧印加時の直流磁界の
効果が０気圧に比べて顕著となると考えられる。

第７図および第８図は各々、第１図におけるセ
ンサに用いた非晶質磁性合金単体において、イン
ダクタンス測定に直流磁界を重畳した場合の特性
およびＢ−Ｈループである。第６図の特性を第７
図と比較して、200mOe以上で約30e以下の直流
磁界が非晶質磁性合金に印加された場合に出力の
増加が実現されると思われる。この磁界の大きさ
は第８図のＢ−Ｈループから見ると、最大透磁率
を与える磁界以上で、飽和磁化の95％を誘起する
磁界以下に相当すると考えられる。この最大透磁
率を与える磁界は第６図の特性では、低直流磁界
時の、インダクタンス値一定部からその値が下が
り始める肩部に相当している。さらに特性上最も
望ましいのは直流磁界が第８図のＢ−Ｈループの
肩部に相当する大きさの場合であることも分か
る。

第９図は本発明の検出方法による圧力に対する
インダクタンス値変化を測定した結果である。出
力が増加し、またヒステリシスもない。

第１０図は温度が−30℃、50℃、130℃におけ
る圧力に対するインダクタンス値変化を従来の交
流磁界だけの検出方法と直流磁界を重畳した本発
明の検出方法とで比較したものである。本発明の
検出方法により温度特性も同時に改善されること
が明らかである。

以上の説明は第１図の圧力センサに関したもの
であるが、非晶質磁性合金の磁歪効果を用いた力
学量−インダクタンス変換型のセンサについては
全く同じ効果が得られる。

このことは次のようなことが原因と考えられ
る。非晶質磁性合金を応用したセンサでは、応力
による非晶質磁性合金の磁化過程の変化がその出
力原理になつている。すなわち非晶質磁性合金内
では印加磁界により磁壁移動や磁区内の磁化の回
転が生じるが、これらの磁化過程が応力や、圧力
により変化することを原理として用いている。一
般に低重畳直流磁界での磁壁移動の磁化過程は、
ヒステリシスがあり、このことはセンサのインダ
クタンス測定にもヒステリシスが生じることを意
味する。一方高重畳直流磁界の場合の回転磁化過
程はヒステリシスが小さい。これは磁性体内の磁
区がほぼ磁界方向に整列し、印加磁束により発生
するトルクによつて、磁化が可逆的に回転するた
めである。本発明による検出方法では、一定値以
上の直流磁界を重畳することにより、磁区の整列
傾向を実現し、これによりセンサのヒステリシス
の改善を可能にしている。また磁壁移動過程は、
磁性体内を磁壁がエネルギー障壁を乗り越えて移
動するため、温度に対し磁化率の変化が大きい
が、回転磁化では、温度に対する透磁率の変動要
因が磁化の温度特性だけになり、比較的磁化率の
温度変化が少ない。このことが本発明の検出方法
によるセンサ出力の温度特性改善の理由と思われ
る。

上述のように直流磁界が加わると、非晶質磁性
合金の磁化過程は磁壁移動によるものから回転磁
化によるものへと順次変化していく。

直流磁界を加えない場合の透磁率は−30℃〜
130℃の範囲内においては温度とともに増大する。
一方、回転磁化の領域では透磁率は温度とともに
減少する。したがつて直流磁界を加え、磁壁移動
より回転磁化へ移行する途中において温度特性が
平坦となる領域が存在する。

さらに詳しく説明すると、最大透磁率は磁化過
程の磁壁移動と回転磁化とが同時に存在し始める
直流磁界で得られる。そのため回転磁化領域を利
用するためには少なくともこの最大透磁率を与え
る直流磁界以上の磁界が必要である。また200e以
上の直流磁界を印加すると、０気圧と30気圧のイ
ンダクタンス値がほぼ等しくなり、その差として
の出力がほぼ０となる。これは飽和磁化の95％を
誘起する磁界に相当する。

また出力の増加は、圧力などの応力の印加にと
もなつて、非晶質磁性合金の直流磁気抵抗が大き
く変化するため、重畳直流磁界の分配が非晶質磁
性合金性合金側に多くなり、第６図に示したよう
に、より大きな直流磁界依存性を示すようになる
ためと考えられる。

このような考察からも分かるように本発明は、
非晶質磁性合金の磁区構造を配向気味にし、同時
に磁化を完全に配向させないすなわち飽和させな
いことである。このことを実現できる直流磁界
は、第６図、第７図、第８図の実験結果から、非
晶質磁性合金では最大透磁率を与える磁界と飽和
磁化の95％を誘起する磁界の間である。

発明の効果 以上述べたように本発明による検出方法を用い
れば、非晶質磁性合金の磁歪効果を用いた、力学
量−インダクタンス変換型のセンサにおいて、出
力の増大が図れ、再現性および安定性の良いセン
サが実現でき、その効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は非晶質磁性合金を用いた圧力センサの
断面図、第２図は圧力センサのインダクタンス測
定回路の回路図、第３図は従来の検出磁界の波形
図、第４図は従来の検出方法による測定の特性
図、第５図は本発明における検出磁界の波形図、
第６図は０気圧および30気圧の圧力を印加した場
合の圧力センサのインダクタンス値の直流重畳磁
昇に対する依存性を示した特性図、第７図は第１
図の圧力センサに用いた非晶質磁性合金のインダ
クタンス値の、直流重畳磁界に対する依存性を示
した特性図、第８図は同非晶質磁性合金のＢ−Ｈ
ループ特性図、第９図は本発明の検出方法を用い
た測定の特性図、第１０図は従来の検出方法およ
び本発明の検出方法における出力の温度依存性を
示す特性図である。 １……非晶質磁性合金、２……軟磁性フエライ
ト、３……コイル、８……インダクタンス測定回
路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも一部が磁歪を有する非晶質磁性合
   金で構成され、かつ前記非晶質磁性合金に被検出
   物により歪が発生するように構成された磁気回路
   と、前記磁気回路のインダクタンス値を検出する
   ために前記磁気回路に磁界を印加するコイルとを
   備えたセンサを用い、前記コイルによるインダク
   タンス値検出磁界として前記非晶質磁性合金にそ
   の最大透磁率を示す磁界以上で、飽和磁化の95％
   が誘起される磁界以下の直流磁界を重畳した交流
   磁界を用いることを特徴とする非晶質磁性合金応
   用センサ検出方法。