JPH10170355A - 高感度応力検出装置 - Google Patents
高感度応力検出装置Info
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- JPH10170355A JPH10170355A JP8326360A JP32636096A JPH10170355A JP H10170355 A JPH10170355 A JP H10170355A JP 8326360 A JP8326360 A JP 8326360A JP 32636096 A JP32636096 A JP 32636096A JP H10170355 A JPH10170355 A JP H10170355A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ゲージ率が高く、応力に対して敏感に反応す
ることができる高感度応力検出装置を提供する。 【解決手段】 負磁歪のＣｏ72.5Ｓｉ12.5Ｂ15アモルフ
ァスワイヤ（直径３０μｍ、長さ２０ｍｍ、回転水中超
急冷法で作製した直径１３０μｍのアモルファスワイヤ
を線引きした後、４ｋｇ／ｍｍ2 の張力を与えた状態
で、４７５℃、２分の加熱後、室温へ急冷させたアモル
ファスワイヤ、磁歪＝−３×１０-6）１に正弦波交流電
源２を接続する。
ることができる高感度応力検出装置を提供する。 【解決手段】 負磁歪のＣｏ72.5Ｓｉ12.5Ｂ15アモルフ
ァスワイヤ（直径３０μｍ、長さ２０ｍｍ、回転水中超
急冷法で作製した直径１３０μｍのアモルファスワイヤ
を線引きした後、４ｋｇ／ｍｍ2 の張力を与えた状態
で、４７５℃、２分の加熱後、室温へ急冷させたアモル
ファスワイヤ、磁歪＝−３×１０-6）１に正弦波交流電
源２を接続する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、応力を検出する高
感度のマイクロセンサや応力で動作する計測、制御用の
高感度応力検出素子（高感度応力検出装置）に関する。
詳しくは、工業用ロボットの触覚センサをはじめ、工業
計測用、家電用、科学計測用、オートメーション用など
の張力センサ、圧力センサ、トルクセンサ、歪みゲー
ジ、ノックセンサ、タッチセンサ、霜センサ、地震セン
サ、重力センサ、音響センサ、流量センサ、風速セン
サ、ロードセルなどの広範囲のマイクロ応力センサやマ
イクロ応力スイッチに関するものである。
感度のマイクロセンサや応力で動作する計測、制御用の
高感度応力検出素子（高感度応力検出装置）に関する。
詳しくは、工業用ロボットの触覚センサをはじめ、工業
計測用、家電用、科学計測用、オートメーション用など
の張力センサ、圧力センサ、トルクセンサ、歪みゲー
ジ、ノックセンサ、タッチセンサ、霜センサ、地震セン
サ、重力センサ、音響センサ、流量センサ、風速セン
サ、ロードセルなどの広範囲のマイクロ応力センサやマ
イクロ応力スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】工業用ロボットや自動車・交通システ
ム、メカトロニクス、パワーエレクトロニクス、工場自
動化システム、家電機器、コンピュータ・情報・オフィ
スオートメーション機器、医療福祉機器、防災・環境計
測システムなど、社会のあらゆる分野における情報化・
知能化・自動化システムをさらに高度化するためには、
種々の高性能のマイクロ力学量センサやマイクロ力学量
スイッチデバイスが必要である。
ム、メカトロニクス、パワーエレクトロニクス、工場自
動化システム、家電機器、コンピュータ・情報・オフィ
スオートメーション機器、医療福祉機器、防災・環境計
測システムなど、社会のあらゆる分野における情報化・
知能化・自動化システムをさらに高度化するためには、
種々の高性能のマイクロ力学量センサやマイクロ力学量
スイッチデバイスが必要である。
【０００３】力学量は、変位・距離、回転角、速度、加
速度、振動などの物体の移動に伴う量や、張力、圧縮力
・圧力、回転力（トルク）、衝撃力などの応力に伴う量
であり、磁性体、半導体、誘電体などの材料を用いた種
々の力学量センサが使用されている。この中で、コイル
や磁性体を用いた力学量センサは、磁力線（磁界）を媒
介とした非接触センシングや放射線、比較的高温の環境
下でも安定に動作する高信頼性などの特徴を有するた
め、ロータリエンコーダ、自動車の速度センサ、加速度
センサ、方位センサ、差動変圧器形変位センサ、ソレノ
イド形変位センサ・圧力センサ、磁気スケール、リード
スイッチなどの耐環境性に優れたメカトロニクス用や工
業計測制御用のセンサやスイッチとして広範に使用され
ている。また、磁気式トルクセンサも種々開発されてい
る。
速度、振動などの物体の移動に伴う量や、張力、圧縮力
・圧力、回転力（トルク）、衝撃力などの応力に伴う量
であり、磁性体、半導体、誘電体などの材料を用いた種
々の力学量センサが使用されている。この中で、コイル
や磁性体を用いた力学量センサは、磁力線（磁界）を媒
介とした非接触センシングや放射線、比較的高温の環境
下でも安定に動作する高信頼性などの特徴を有するた
め、ロータリエンコーダ、自動車の速度センサ、加速度
センサ、方位センサ、差動変圧器形変位センサ、ソレノ
イド形変位センサ・圧力センサ、磁気スケール、リード
スイッチなどの耐環境性に優れたメカトロニクス用や工
業計測制御用のセンサやスイッチとして広範に使用され
ている。また、磁気式トルクセンサも種々開発されてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の従来の磁気式力学量センサやスイッチなどは、一般に
磁芯と多数回巻きコイルを有すること、およびコイル励
磁では磁芯内の反磁界のため、半導体や誘電体を用いた
センサに比してマイクロ寸法化が困難であった。本願発
明者は、既に磁気−インピーダンス効果素子（ＭＩ素
子）を提案している（例えば、特開平７−１８１２３９
号公報参照）。
の従来の磁気式力学量センサやスイッチなどは、一般に
磁芯と多数回巻きコイルを有すること、およびコイル励
磁では磁芯内の反磁界のため、半導体や誘電体を用いた
センサに比してマイクロ寸法化が困難であった。本願発
明者は、既に磁気−インピーダンス効果素子（ＭＩ素
子）を提案している（例えば、特開平７−１８１２３９
号公報参照）。
【０００５】このＭＩ効果は、アモルファスワイヤなど
の高透磁率磁性体に高周波電流やパルス電流を通電して
表皮効果を生じさせた状態で、外部磁界により磁性体の
インピーダンスを敏感に変化させるようにしたものであ
る。このＭＩ効果では、磁性体内部に反磁界がほとんど
発生しないので、フラックスゲートセンサと異なり、磁
性体の長さを１ｍｍ以下に短縮しても、磁界検出感度が
劣化せず、マイクロ寸法の高感度・高速応答の磁界セン
サが構成できる。
の高透磁率磁性体に高周波電流やパルス電流を通電して
表皮効果を生じさせた状態で、外部磁界により磁性体の
インピーダンスを敏感に変化させるようにしたものであ
る。このＭＩ効果では、磁性体内部に反磁界がほとんど
発生しないので、フラックスゲートセンサと異なり、磁
性体の長さを１ｍｍ以下に短縮しても、磁界検出感度が
劣化せず、マイクロ寸法の高感度・高速応答の磁界セン
サが構成できる。
【０００６】本発明は、ＭＩ効果では磁性体ヘッドのイ
ンピーダンスの大きさが励磁角周波数ωと通電電流と直
角方向の透磁率μとの積の平方根√ωμに比例し、透磁
率μが外部磁界によって変化することを見い出した。こ
の原理をさらに展開し、磁性体として磁歪材を用いて応
力−磁気効果により透磁率μを応力σによって変化させ
れば、高感度のマイクロ応力センサが構成できることを
直感した。
ンピーダンスの大きさが励磁角周波数ωと通電電流と直
角方向の透磁率μとの積の平方根√ωμに比例し、透磁
率μが外部磁界によって変化することを見い出した。こ
の原理をさらに展開し、磁性体として磁歪材を用いて応
力−磁気効果により透磁率μを応力σによって変化させ
れば、高感度のマイクロ応力センサが構成できることを
直感した。
【０００７】そこで、強靱弾性体であるアモルファス磁
歪ワイヤを用いて実験を行い、予測通りのゲージ率が２
００〜１３００に達する優れた結果を得たものである。
この場合、アモルファスワイヤに比較的強い応力を印加
してアニールを施し、異方性エネルギーを高めれば、地
磁気程度の外乱磁界によって透磁率μが変化することな
く、応力のみをインピーダンスの変化として検出するロ
バスト性が実現される。
歪ワイヤを用いて実験を行い、予測通りのゲージ率が２
００〜１３００に達する優れた結果を得たものである。
この場合、アモルファスワイヤに比較的強い応力を印加
してアニールを施し、異方性エネルギーを高めれば、地
磁気程度の外乱磁界によって透磁率μが変化することな
く、応力のみをインピーダンスの変化として検出するロ
バスト性が実現される。
【０００８】また、既に、特開平８−１２８９０４号公
報において、同様にアモルファスワイヤによって応力の
検出ができることが実施例に示されているが、そのゲー
ジ率は６３程度であり、従来の半導体ストレンゲージの
ゲージ率約２００より低く、１／３程度であり、高感度
応力測定法とは言い難い。本発明は、従来の磁性体セン
サと異なる新原理によって、力学量センサヘッドのマイ
クロ化および高感度・高速応答化を実現することができ
る高感度応力検出装置を提供することを目的とする。
報において、同様にアモルファスワイヤによって応力の
検出ができることが実施例に示されているが、そのゲー
ジ率は６３程度であり、従来の半導体ストレンゲージの
ゲージ率約２００より低く、１／３程度であり、高感度
応力測定法とは言い難い。本発明は、従来の磁性体セン
サと異なる新原理によって、力学量センサヘッドのマイ
クロ化および高感度・高速応答化を実現することができ
る高感度応力検出装置を提供することを目的とする。
【０００９】本発明は、上記問題点を除去し、力学量セ
ンサヘッドのマイクロ化および高感度・高速応答化を実
現することができる、つまり、ゲージ率が高く、応力に
対して敏感に反応することができる高感度応力検出装置
を提供することを目的とする。
ンサヘッドのマイクロ化および高感度・高速応答化を実
現することができる、つまり、ゲージ率が高く、応力に
対して敏感に反応することができる高感度応力検出装置
を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕高感度応力検出装置であって、磁性体に交流電流
を通電した状態で、応力に対して、前記磁性体のインピ
ーダンスを変化させ、ゲージ率を３００以上としたもの
である。
成するために、 〔１〕高感度応力検出装置であって、磁性体に交流電流
を通電した状態で、応力に対して、前記磁性体のインピ
ーダンスを変化させ、ゲージ率を３００以上としたもの
である。
【００１１】〔２〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装
置において、前記交流電流として、高周波電流またはパ
ルス電流を用いるようにしたものである。 〔３〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装置において、
前記応力は張力や圧縮力、トルクまたは衝撃力である。 〔４〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装置において、
前記磁性体として、アモルファス磁性体を用いるように
したものである。
置において、前記交流電流として、高周波電流またはパ
ルス電流を用いるようにしたものである。 〔３〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装置において、
前記応力は張力や圧縮力、トルクまたは衝撃力である。 〔４〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装置において、
前記磁性体として、アモルファス磁性体を用いるように
したものである。
【００１２】〔５〕上記〔４〕記載の高感度応力検出装
置において、前記磁性体として、負の磁歪をもつアモル
ファス磁性体を用いるようにしたものである。 〔６〕上記〔４〕記載の高感度応力検出装置において、
前記磁性体として、応力下加熱・冷却処理を施したアモ
ルファス磁性体を用いるようにしたものである。
置において、前記磁性体として、負の磁歪をもつアモル
ファス磁性体を用いるようにしたものである。 〔６〕上記〔４〕記載の高感度応力検出装置において、
前記磁性体として、応力下加熱・冷却処理を施したアモ
ルファス磁性体を用いるようにしたものである。
【００１３】〔７〕上記〔４〕記載の高感度応力検出装
置において、前記アモルファス磁性体として、アモルフ
ァス磁歪リボン、アモルファススパッタ磁歪厚膜、又は
アモルファスメッキ磁歪膜を用いるようにしたものであ
る。 〔８〕上記〔４〕記載の高感度応力検出装置において、
前記アモルファス磁性体として、アモルファスワイヤを
用いるようにしたものである。
置において、前記アモルファス磁性体として、アモルフ
ァス磁歪リボン、アモルファススパッタ磁歪厚膜、又は
アモルファスメッキ磁歪膜を用いるようにしたものであ
る。 〔８〕上記〔４〕記載の高感度応力検出装置において、
前記アモルファス磁性体として、アモルファスワイヤを
用いるようにしたものである。
【００１４】
〔９〕上記〔８〕記載の高感度応力検出装
置において、前記アモルファスワイヤは直径が１００μ
ｍ以下である。 〔１０〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装置におい
て、前記交流電流として、半導体発振回路の電流を用い
るようにしたものである。 〔１１〕上記〔１０〕記載の高感度応力検出装置におい
て、前記半導体発振回路として、ＣＭＯＳマルチバイブ
レータ回路を用いるようにしたものである。
置において、前記アモルファスワイヤは直径が１００μ
ｍ以下である。 〔１０〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装置におい
て、前記交流電流として、半導体発振回路の電流を用い
るようにしたものである。 〔１１〕上記〔１０〕記載の高感度応力検出装置におい
て、前記半導体発振回路として、ＣＭＯＳマルチバイブ
レータ回路を用いるようにしたものである。
【００１５】上記のように構成したので、本発明によれ
ば、種々の高感度・高速応答のマイクロ寸法応力センサ
が構成され、従来検出が困難であった微小な張力、圧縮
力、圧力、トルク、衝撃力、気体や液体の流速、流量、
衝撃波、地震波、重力分布、機械振動などを容易に検出
することができる。特に、アモルファス磁歪リボンやア
モルファススパッタ磁歪厚膜、アモルファスメッキ磁歪
膜などでも、表皮効果を生じさせることにより、顕著に
応力検出を行うことができる。
ば、種々の高感度・高速応答のマイクロ寸法応力センサ
が構成され、従来検出が困難であった微小な張力、圧縮
力、圧力、トルク、衝撃力、気体や液体の流速、流量、
衝撃波、地震波、重力分布、機械振動などを容易に検出
することができる。特に、アモルファス磁歪リボンやア
モルファススパッタ磁歪厚膜、アモルファスメッキ磁歪
膜などでも、表皮効果を生じさせることにより、顕著に
応力検出を行うことができる。
【００１６】また、このＳＩ素子をＣＭＯＳマルチバイ
ブレータなどの半導体回路と組み合わせ、ハイブリッド
集積回路（ＨＩＣ）技術などでチップ化し、人やロボッ
トの腕、手、指関節などに固定することにより、バーチ
ャルリアリティ（ＶＲ）や義手の高性能化、自立ロボッ
トの構成などの多くの先端メカニカル技術が飛躍的に発
展すると考えられる。
ブレータなどの半導体回路と組み合わせ、ハイブリッド
集積回路（ＨＩＣ）技術などでチップ化し、人やロボッ
トの腕、手、指関節などに固定することにより、バーチ
ャルリアリティ（ＶＲ）や義手の高性能化、自立ロボッ
トの構成などの多くの先端メカニカル技術が飛躍的に発
展すると考えられる。
【００１７】更に、アモルファス磁歪ワイヤで人工触覚
センサなどのマイクロ応力センサを構成して、マイクロ
マシンに結合させることにより、これまでの自立性のな
かったマイクロマシンの知能化を実現し、人工昆虫など
の新技術に貢献することができる。
センサなどのマイクロ応力センサを構成して、マイクロ
マシンに結合させることにより、これまでの自立性のな
かったマイクロマシンの知能化を実現し、人工昆虫など
の新技術に貢献することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。 〔実施例１〕図１は本発明の第１実施例を示す高感度応
力検出装置とその回路図、図２はその高感度応力検出装
置の応力による電圧振幅変化の周波数特性図（その１）
である。
を参照しながら説明する。 〔実施例１〕図１は本発明の第１実施例を示す高感度応
力検出装置とその回路図、図２はその高感度応力検出装
置の応力による電圧振幅変化の周波数特性図（その１）
である。
【００１９】図１において、１は負磁歪のＣｏ72.5Ｓｉ
12.5Ｂ15アモルファスワイヤ（直径３０μｍ、長さ２０
ｍｍ、回転水中超急冷法で作製した直径１３０μｍのア
モルファスワイヤを線引きした後、４ｋｇ／ｍｍ2 の張
力を与えた状態で、４７５℃、２分の加熱後、室温へ急
冷させたアモルファスワイヤ、磁歪＝−３×１０-6）で
あり、このアモルファスワイヤ１に正弦波交流電源２を
接続する。なお、３は交流電流の振幅を一定に保つ内部
抵抗である。
12.5Ｂ15アモルファスワイヤ（直径３０μｍ、長さ２０
ｍｍ、回転水中超急冷法で作製した直径１３０μｍのア
モルファスワイヤを線引きした後、４ｋｇ／ｍｍ2 の張
力を与えた状態で、４７５℃、２分の加熱後、室温へ急
冷させたアモルファスワイヤ、磁歪＝−３×１０-6）で
あり、このアモルファスワイヤ１に正弦波交流電源２を
接続する。なお、３は交流電流の振幅を一定に保つ内部
抵抗である。
【００２０】図２は、そのアモルファスワイヤ１に張力
を印加し、正弦波交流電源２より、周波数ｆ、振幅１５
ｍＡの正弦波交流電流を通電させた時のワイヤ両端間の
電圧の振幅Ｅｍの測定結果である。この図から明らかな
ように、アモルファスワイヤ１に約６ｋｇ／ｍｍ2 〔６
０ＭＰａ（メガパスカル）〕の張力Ｆを印加すると、周
波数ｆが５０ｋＨｚから１ＭＨｚの周波数範囲でアモル
ファスワイヤ１の両端間電圧の振幅Ｅｍは上昇し、１Ｍ
Ｈｚから約２０ＭＨｚの範囲では減少した。５０ｋＨｚ
以上ではアモルファスワイヤ１両端間電圧の振幅Ｅｍは
周波数ｆの増加とともに増加しており、アモルファスワ
イヤ１に表皮効果が現れていることが分かる。
を印加し、正弦波交流電源２より、周波数ｆ、振幅１５
ｍＡの正弦波交流電流を通電させた時のワイヤ両端間の
電圧の振幅Ｅｍの測定結果である。この図から明らかな
ように、アモルファスワイヤ１に約６ｋｇ／ｍｍ2 〔６
０ＭＰａ（メガパスカル）〕の張力Ｆを印加すると、周
波数ｆが５０ｋＨｚから１ＭＨｚの周波数範囲でアモル
ファスワイヤ１の両端間電圧の振幅Ｅｍは上昇し、１Ｍ
Ｈｚから約２０ＭＨｚの範囲では減少した。５０ｋＨｚ
以上ではアモルファスワイヤ１両端間電圧の振幅Ｅｍは
周波数ｆの増加とともに増加しており、アモルファスワ
イヤ１に表皮効果が現れていることが分かる。
【００２１】図３は本発明の第１実施例で示す高感度応
力検出装置のｆ＝４００ｋＨｚおよび２０ＭＨｚにおけ
る応力による電圧振幅変化（その２）を示す図である。
この実施例では、図２で用いたＣｏＳｉＢアモルファス
ワイヤ及び正磁歪をもつ〔（Ｆｅ0.5 Ｃｏ0.5 ）72.5Ｓ
ｉ12.5Ｂ15、直径３０μｍ、長さ２０ｍｍ、磁歪＝５×
１０-6〕アモルファスワイヤに４００ｋＨｚ及び２０Ｍ
Ｈｚ、振幅２０ｍＡの正弦波電流を通電し、引っ張り荷
重Ｗを印加した場合のワイヤ両端間電圧の振幅Ｅｍの変
化率を測定した結果である。
力検出装置のｆ＝４００ｋＨｚおよび２０ＭＨｚにおけ
る応力による電圧振幅変化（その２）を示す図である。
この実施例では、図２で用いたＣｏＳｉＢアモルファス
ワイヤ及び正磁歪をもつ〔（Ｆｅ0.5 Ｃｏ0.5 ）72.5Ｓ
ｉ12.5Ｂ15、直径３０μｍ、長さ２０ｍｍ、磁歪＝５×
１０-6〕アモルファスワイヤに４００ｋＨｚ及び２０Ｍ
Ｈｚ、振幅２０ｍＡの正弦波電流を通電し、引っ張り荷
重Ｗを印加した場合のワイヤ両端間電圧の振幅Ｅｍの変
化率を測定した結果である。
【００２２】ｆ＝２０ＭＨｚの場合、ＣｏＳｉＢワイヤ
では、１ｇの荷重（１３ＭＰａの張力）で、上記ワイヤ
両端間電圧の振幅Ｅｍが２０％減少している。ＣｏＳｉ
Ｂアモルファスワイヤは最大抗張力３０６ＭＰａ，最大
歪み（伸び率）３．４％であるので、その歪みゲージ率
（電磁気量の変化率／伸び率）は１２８６となる。これ
は従来の最高感度をもつ半導体歪みゲージのゲージ率約
２００の約６．５倍の極めて高い値である。ＦｅＣｏＳ
ｉＢワイヤでも、ゲージ率は約４００であり、張力アニ
ールを施した細いアモルファスワイヤは、著しく高いゲ
ージ率を示すことが分かる。
では、１ｇの荷重（１３ＭＰａの張力）で、上記ワイヤ
両端間電圧の振幅Ｅｍが２０％減少している。ＣｏＳｉ
Ｂアモルファスワイヤは最大抗張力３０６ＭＰａ，最大
歪み（伸び率）３．４％であるので、その歪みゲージ率
（電磁気量の変化率／伸び率）は１２８６となる。これ
は従来の最高感度をもつ半導体歪みゲージのゲージ率約
２００の約６．５倍の極めて高い値である。ＦｅＣｏＳ
ｉＢワイヤでも、ゲージ率は約４００であり、張力アニ
ールを施した細いアモルファスワイヤは、著しく高いゲ
ージ率を示すことが分かる。
【００２３】図４は図３で用いたアモルファスワイヤの
電圧がワイヤ長さ方向の外乱直流磁界で受ける影響を調
べた結果を示す図であり、図４（ａ）はＦｅＣｏＳｉＢ
ワイヤ、図４（ｂ）はＣｏＳｉＢワイヤの場合である。
図４（ａ）に示すように、ＦｅＣｏＳｉＢワイヤは±２
エルステッド（Ｏｅ）の磁界に対しては、その影響は略
零である。
電圧がワイヤ長さ方向の外乱直流磁界で受ける影響を調
べた結果を示す図であり、図４（ａ）はＦｅＣｏＳｉＢ
ワイヤ、図４（ｂ）はＣｏＳｉＢワイヤの場合である。
図４（ａ）に示すように、ＦｅＣｏＳｉＢワイヤは±２
エルステッド（Ｏｅ）の磁界に対しては、その影響は略
零である。
【００２４】また、図４（ｂ）に示すように、ＣｏＳｉ
Ｂワイヤは、張力零で微小な磁界でも影響を受けるが、
１０ＭＰａのバイアス張力を与えれば、±１Ｏｅの磁界
では、ほとんど影響を受けない。したがって、地磁気
（約０．３Ｏｅ）程度の磁界の影響は受けないことが分
かった。 〔実施例２〕図５は本発明の第２実施例を示すパルス通
電におけるＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ電圧の張力特
性図である。
Ｂワイヤは、張力零で微小な磁界でも影響を受けるが、
１０ＭＰａのバイアス張力を与えれば、±１Ｏｅの磁界
では、ほとんど影響を受けない。したがって、地磁気
（約０．３Ｏｅ）程度の磁界の影響は受けないことが分
かった。 〔実施例２〕図５は本発明の第２実施例を示すパルス通
電におけるＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ電圧の張力特
性図である。
【００２５】ここで、パルス電流は、パルス発生電源を
用い、高さ４０ｍＡ、幅７．２ナノ秒（ｎｓ）、繰り返
し周波数１００ｋＨｚを与えた。アモルファスワイヤ両
端間の誘起パルス電圧の高さＥは、１ｇの荷重で１０％
の減少を示した。この範囲は、ゲージ率は図３の場合よ
り小さいが、約６４０であり、半導体ストレインゲージ
のゲージ率の３倍強である。
用い、高さ４０ｍＡ、幅７．２ナノ秒（ｎｓ）、繰り返
し周波数１００ｋＨｚを与えた。アモルファスワイヤ両
端間の誘起パルス電圧の高さＥは、１ｇの荷重で１０％
の減少を示した。この範囲は、ゲージ率は図３の場合よ
り小さいが、約６４０であり、半導体ストレインゲージ
のゲージ率の３倍強である。
【００２６】この実施例から明らかなように、鋭いパル
ス電流を印加することにより、高周波正弦波電流を通電
した場合と同様に表皮効果が生じて、応力−インピーダ
ンス効果（ＳＩ効果）が敏感に発生することが分かっ
た。パルス電流は多くの高調波を含むが、正弦波に対応
させる場合はパルスの立ち上がり（または立ち下がり）
時間の逆数の周波数が考慮される。パルス電流の立ち上
がり時間が約４ナノ秒であるので、その逆数は２５０Ｍ
Ｈｚであり、十分高周波であるので、図２から、ワイヤ
電圧は張力によって減少することになる。
ス電流を印加することにより、高周波正弦波電流を通電
した場合と同様に表皮効果が生じて、応力−インピーダ
ンス効果（ＳＩ効果）が敏感に発生することが分かっ
た。パルス電流は多くの高調波を含むが、正弦波に対応
させる場合はパルスの立ち上がり（または立ち下がり）
時間の逆数の周波数が考慮される。パルス電流の立ち上
がり時間が約４ナノ秒であるので、その逆数は２５０Ｍ
Ｈｚであり、十分高周波であるので、図２から、ワイヤ
電圧は張力によって減少することになる。
【００２７】〔実施例３〕図６は本発明の第３実施例を
示す図５の実験結果を基に、ＣＭＯＳＩＣチップ１０の
中の２個のインバータＱ1 ，Ｑ2 にＲ，Ｃを接続してマ
ルチバイブレータを構成し、ＣＭＯＳインバータのスイ
ッチング時に発生する電源ラインの鋭いパルス電流をア
モルファスワイヤ１１に通電する方式の高感度応力検出
装置の構成図であり、図７にその高感度応力検出装置
（応力センサ）の応力検出の結果を示している。
示す図５の実験結果を基に、ＣＭＯＳＩＣチップ１０の
中の２個のインバータＱ1 ，Ｑ2 にＲ，Ｃを接続してマ
ルチバイブレータを構成し、ＣＭＯＳインバータのスイ
ッチング時に発生する電源ラインの鋭いパルス電流をア
モルファスワイヤ１１に通電する方式の高感度応力検出
装置の構成図であり、図７にその高感度応力検出装置
（応力センサ）の応力検出の結果を示している。
【００２８】アモルファスワイヤ１１の誘起パルス電圧
は、ショットキーバリアダイオードＳＢＤ１３をバッフ
ァとして、ＲＣピークホールド回路１４で直流電圧Ｅｏ
ｕｔに出力電圧として変換している。因みに、ＩＣチッ
プ１０は７４ＡＣ０４、Ｒは２０ＫΩ、Ｃは１００ｐ
Ｆ、ＲL は１０Ω、ＣH は１０００ｐＦ、ＲH は５１０
ｋΩである。
は、ショットキーバリアダイオードＳＢＤ１３をバッフ
ァとして、ＲＣピークホールド回路１４で直流電圧Ｅｏ
ｕｔに出力電圧として変換している。因みに、ＩＣチッ
プ１０は７４ＡＣ０４、Ｒは２０ＫΩ、Ｃは１００ｐ
Ｆ、ＲL は１０Ω、ＣH は１０００ｐＦ、ＲH は５１０
ｋΩである。
【００２９】発振周波数１４．３５ＭＨｚ、パルス幅１
４ナノ秒、パルス電流高さ３０ｍＡとした場合、荷重１
ｇで出力電圧Ｅｏｕｔは１５％減少しており、この応力
センサのゲージ率は約９６０であり、半導体ストレイン
ゲージのゲージ率２００の約５倍近い値である。ＦｅＣ
ｏＳｉＢワイヤをヘッドとした場合は、ゲージ率は約１
７０程度であるが、応力検出特性は高い線形性を示し、
ダイナミックレンジは６ｇ（８２ＭＰａ）と広くなって
いる。
４ナノ秒、パルス電流高さ３０ｍＡとした場合、荷重１
ｇで出力電圧Ｅｏｕｔは１５％減少しており、この応力
センサのゲージ率は約９６０であり、半導体ストレイン
ゲージのゲージ率２００の約５倍近い値である。ＦｅＣ
ｏＳｉＢワイヤをヘッドとした場合は、ゲージ率は約１
７０程度であるが、応力検出特性は高い線形性を示し、
ダイナミックレンジは６ｇ（８２ＭＰａ）と広くなって
いる。
【００３０】〔実施例４〕図８は本発明の第４実施例を
示す直径３０μｍのＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ２２
を厚さ０．２ｍｍの石英ガラスダイアフラム２１上にス
パイラル形状にアラルダイトで接着させた圧力センサの
構成図、図９はその圧力センサの応力検出特性図であ
る。
示す直径３０μｍのＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ２２
を厚さ０．２ｍｍの石英ガラスダイアフラム２１上にス
パイラル形状にアラルダイトで接着させた圧力センサの
構成図、図９はその圧力センサの応力検出特性図であ
る。
【００３１】厚さ０．２ｍｍの石英ガラスダイアフラム
２１上のアモルファスワイヤ２２の検波電圧は差動アン
プ２３に入力し、零点補償を行っている。５０ＭＰａま
での空気圧力を、図９に示すように、ほぼ線形に検出し
ている。なお、２４はアモルファスワイヤ２２に接続さ
れる交流電源、２５は交流電流の振幅を一定にするため
の内部抵抗ＲO であり、アモルファスワイヤ２２の検波
電圧は、ショットキーバリアダイオードＳＢＤ２６をバ
ッファとして、ＲＣピークホールド回路２７で直流電圧
として変換している。
２１上のアモルファスワイヤ２２の検波電圧は差動アン
プ２３に入力し、零点補償を行っている。５０ＭＰａま
での空気圧力を、図９に示すように、ほぼ線形に検出し
ている。なお、２４はアモルファスワイヤ２２に接続さ
れる交流電源、２５は交流電流の振幅を一定にするため
の内部抵抗ＲO であり、アモルファスワイヤ２２の検波
電圧は、ショットキーバリアダイオードＳＢＤ２６をバ
ッファとして、ＲＣピークホールド回路２７で直流電圧
として変換している。
【００３２】〔実施例５〕図１０は本発明の第５実施例
を示す石英ガラスダイアフラム３１に、スパッタ装置を
用いてＦｅ68Ｃｏ12Ｂ20のアモルファス磁歪膜を厚さ
２．５μｍ厚さに形成し、ウェットエッチングにより幅
１ｍｍのジグザクコイル形状のアモルファス薄膜パター
ン（ＳＩ素子）３２を作製した高感度応力検出装置（応
力センサ）の構成図、図１１は本発明の第５実施例を示
す高感度応力検出装置（応力センサ）の応力検出の結果
を示す図である。
を示す石英ガラスダイアフラム３１に、スパッタ装置を
用いてＦｅ68Ｃｏ12Ｂ20のアモルファス磁歪膜を厚さ
２．５μｍ厚さに形成し、ウェットエッチングにより幅
１ｍｍのジグザクコイル形状のアモルファス薄膜パター
ン（ＳＩ素子）３２を作製した高感度応力検出装置（応
力センサ）の構成図、図１１は本発明の第５実施例を示
す高感度応力検出装置（応力センサ）の応力検出の結果
を示す図である。
【００３３】このＳＩ素子は直流１００ｍＡを通電した
状態で、２５０℃、１時間のアニールを大気中で行い、
パターン幅方向に磁気異方性を誘導させた。石英ガラス
ダイヤフラム３１の縁を外径３０ｍｍの円管に接着して
圧力を印加すると、縁近傍領域Ａと中央部領域Ｂの半径
方向の応力は互いに逆になる。すなわち、ＳＩヘッドの
裏面から正の圧力が印加されると、縁近傍領域Ａでは圧
縮力、中央部領域Ｂでは張力が発生し、負圧力ではその
逆の応力が発生する。
状態で、２５０℃、１時間のアニールを大気中で行い、
パターン幅方向に磁気異方性を誘導させた。石英ガラス
ダイヤフラム３１の縁を外径３０ｍｍの円管に接着して
圧力を印加すると、縁近傍領域Ａと中央部領域Ｂの半径
方向の応力は互いに逆になる。すなわち、ＳＩヘッドの
裏面から正の圧力が印加されると、縁近傍領域Ａでは圧
縮力、中央部領域Ｂでは張力が発生し、負圧力ではその
逆の応力が発生する。
【００３４】この関係に着目し、縁近傍領域Ａおよび中
央部領域ＢのそれぞれのＳＩパターンに半値幅約５ナノ
秒のパルス電流を印加して、表皮効果を生じさせ、縁近
傍領域Ａ、中央部領域Ｂの誘起パルス電圧をそれぞれシ
ョットキーバリアダイオードＳＢＤ３３，３４と、
Ｒp ，Ｃp のピークホールド回路３５，３６で直流電圧
に変換し、差動アンプ３７に入力させる。
央部領域ＢのそれぞれのＳＩパターンに半値幅約５ナノ
秒のパルス電流を印加して、表皮効果を生じさせ、縁近
傍領域Ａ、中央部領域Ｂの誘起パルス電圧をそれぞれシ
ョットキーバリアダイオードＳＢＤ３３，３４と、
Ｒp ，Ｃp のピークホールド回路３５，３６で直流電圧
に変換し、差動アンプ３７に入力させる。
【００３５】この差動アンプ３７の出力電圧Ｖは、圧力
Ｐが零の時、零になるよう可変抵抗器ＶＲ３８で調整す
る。圧力Ｐが印加されると、縁近傍領域Ａ、中央部領域
Ｂのインピーダンスは互いに逆方向に変化するので、圧
力Ｐに比例した出力電圧Ｖが得られる。ＳＩに印加する
パルス電流は、ＣＭＯＳインバータＱ1 ，Ｑ2 と、Ｒ、
Ｃによるマルチバイブレータ出力電圧の微分パルス電圧
を印加することによって与えられる。
Ｐが零の時、零になるよう可変抵抗器ＶＲ３８で調整す
る。圧力Ｐが印加されると、縁近傍領域Ａ、中央部領域
Ｂのインピーダンスは互いに逆方向に変化するので、圧
力Ｐに比例した出力電圧Ｖが得られる。ＳＩに印加する
パルス電流は、ＣＭＯＳインバータＱ1 ，Ｑ2 と、Ｒ、
Ｃによるマルチバイブレータ出力電圧の微分パルス電圧
を印加することによって与えられる。
【００３６】第３実施例（図７）と同様に、水圧を検出
した結果、感度はアモルファスワイヤの場合の約５分の
１であるが、安定な検出ができることが分かった。アモ
ルファスワイヤの場合に比べて、接着の問題がない点有
利である。なお、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能で
あり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
した結果、感度はアモルファスワイヤの場合の約５分の
１であるが、安定な検出ができることが分かった。アモ
ルファスワイヤの場合に比べて、接着の問題がない点有
利である。なお、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能で
あり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【００３７】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。 （１）力学量センサヘッドのマイクロ化および高感度・
高速応答化を実現することができる、つまり、ゲージ率
が高く、応力に対して敏感に反応する高感度応力検出装
置を提供することができる。
よれば、以下のような効果を奏することができる。 （１）力学量センサヘッドのマイクロ化および高感度・
高速応答化を実現することができる、つまり、ゲージ率
が高く、応力に対して敏感に反応する高感度応力検出装
置を提供することができる。
【００３８】すなわち、種々の高感度・高速応答のマイ
クロ寸法応力センサが構成され、従来検出が困難であっ
た微小な張力、圧縮力、圧力、トルク、衝撃力、気体や
液体の流速、流量、衝撃波、地震波、重力分布、機械振
動などを容易に検出することができる。特に、アモルフ
ァス磁歪リボンやアモルファススパッタ磁歪厚膜、アモ
ルファスメッキ磁歪膜などでも、表皮効果を生じさせる
ことにより、顕著に応力検出を行うことができる。
クロ寸法応力センサが構成され、従来検出が困難であっ
た微小な張力、圧縮力、圧力、トルク、衝撃力、気体や
液体の流速、流量、衝撃波、地震波、重力分布、機械振
動などを容易に検出することができる。特に、アモルフ
ァス磁歪リボンやアモルファススパッタ磁歪厚膜、アモ
ルファスメッキ磁歪膜などでも、表皮効果を生じさせる
ことにより、顕著に応力検出を行うことができる。
【００３９】（２）ＳＩ素子をＣＭＯＳマルチバイブレ
ータなどの半導体回路と組み合わせ、ハイブリッド集積
回路（ＨＩＣ）技術などでチップ化し、人やロボットの
腕、手、指関節などに固定することにより、バーチャル
リアリティ（ＶＲ）や義手の高性能化、自立ロボットの
構成などの多くの先端メカニカル技術を飛躍的に発展さ
せることができる。
ータなどの半導体回路と組み合わせ、ハイブリッド集積
回路（ＨＩＣ）技術などでチップ化し、人やロボットの
腕、手、指関節などに固定することにより、バーチャル
リアリティ（ＶＲ）や義手の高性能化、自立ロボットの
構成などの多くの先端メカニカル技術を飛躍的に発展さ
せることができる。
【００４０】（３）アモルファス磁歪ワイヤで人工触覚
センサなどのマイクロ応力センサを構成して、マイクロ
マシンに結合させることにより、これまでの自立性のな
かったマイクロマシンの知能化を実現し、人工昆虫など
の新技術に貢献することができる。
センサなどのマイクロ応力センサを構成して、マイクロ
マシンに結合させることにより、これまでの自立性のな
かったマイクロマシンの知能化を実現し、人工昆虫など
の新技術に貢献することができる。
【図１】本発明の第１実施例を示す高感度応力検出装置
とその回路図である。
とその回路図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す高感度応力検出装置
の応力による電圧振幅変化の周波数特性図（その１）で
ある。
の応力による電圧振幅変化の周波数特性図（その１）で
ある。
【図３】本発明の第１実施例を示す高感度応力検出装置
の応力による電圧振幅変化の周波数特性図（その２）で
ある。
の応力による電圧振幅変化の周波数特性図（その２）で
ある。
【図４】図３で用いたアモルファスワイヤの電圧がワイ
ヤ長さ方向の外乱直流磁界で受ける影響を調べた結果を
示す図である。
ヤ長さ方向の外乱直流磁界で受ける影響を調べた結果を
示す図である。
【図５】本発明の第２実施例を示すパルス通電における
ＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ電圧の張力特性図であ
る。
ＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ電圧の張力特性図であ
る。
【図６】本発明の第３実施例を示すＣＭＯＳＩＣチップ
の中の２個のインバータにＲ，Ｃを接続してマルチバイ
ブレータを構成し、ＣＭＯＳインバータのスイッチング
時に発生する電源ラインの鋭いパルス電流をアモルファ
スワイヤに通電する方式を示す高感度応力検出装置の構
成図である。
の中の２個のインバータにＲ，Ｃを接続してマルチバイ
ブレータを構成し、ＣＭＯＳインバータのスイッチング
時に発生する電源ラインの鋭いパルス電流をアモルファ
スワイヤに通電する方式を示す高感度応力検出装置の構
成図である。
【図７】本発明の第３実施例を示す高感度応力検出装置
（応力センサ）の応力検出の結果を示す図である。
（応力センサ）の応力検出の結果を示す図である。
【図８】本発明の第４実施例を示す直径３０μｍのＣｏ
ＳｉＢアモルファスワイヤを厚さ０．２ｍｍの石英ガラ
スダイアフラム上にスパイラル形状にアラルダイトで接
着させた高感度応力検出装置（応力センサ）の構成図で
ある。
ＳｉＢアモルファスワイヤを厚さ０．２ｍｍの石英ガラ
スダイアフラム上にスパイラル形状にアラルダイトで接
着させた高感度応力検出装置（応力センサ）の構成図で
ある。
【図９】本発明の第４実施例を示す高感度応力検出装置
（応力センサ）の応力検出の結果を示す図である。
（応力センサ）の応力検出の結果を示す図である。
【図１０】本発明の第５実施例を示す石英ガラスダイア
フラムに、スパッタ装置を用いてＦｅ68Ｃｏ12Ｂ20のア
モルファス磁歪膜を厚さ２．５μｍ厚さに形成し、ウェ
ットエッチングにより幅１ｍｍのジグザクコイル形状の
アモルファス薄膜パターン（ＳＩ素子）を作製した高感
度応力検出装置（応力センサ）の構成図である。
フラムに、スパッタ装置を用いてＦｅ68Ｃｏ12Ｂ20のア
モルファス磁歪膜を厚さ２．５μｍ厚さに形成し、ウェ
ットエッチングにより幅１ｍｍのジグザクコイル形状の
アモルファス薄膜パターン（ＳＩ素子）を作製した高感
度応力検出装置（応力センサ）の構成図である。
【図１１】本発明の第５実施例を示す高感度応力検出装
置（応力センサ）の応力検出の結果を示す図である。
置（応力センサ）の応力検出の結果を示す図である。
１，１１，２２ アモルファスワイヤ ２ 正弦波交流電源 ３，２５ 負荷抵抗 １０ ＣＭＯＳＩＣチップ １３，２６，３３，３４ ショッキキーバリアダイオ
ードＳＢＤ １４，２７，３５，３６ ＲＣピークホールド回路 ２１，３１ 石英ガラスダイアフラム ２３，３７ 差動アンプ ２４ 交流電源 ３２ アモルファス薄膜パターン ３８ 可変抵抗器ＶＲ
ードＳＢＤ １４，２７，３５，３６ ＲＣピークホールド回路 ２１，３１ 石英ガラスダイアフラム ２３，３７ 差動アンプ ２４ 交流電源 ３２ アモルファス薄膜パターン ３８ 可変抵抗器ＶＲ
Claims (11)
- 【請求項１】 磁性体に交流電流を通電した状態で応力
に対して前記磁性体のインピーダンスを変化させ、ゲー
ジ率を３００以上としたことを特徴とする高感度応力検
出装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の高感度応力検出装置にお
いて、前記交流電流は高周波電流またはパルス電流であ
る高感度応力検出装置。 - 【請求項３】 請求項１記載の高感度応力検出装置にお
いて、前記応力は張力や圧縮力、トルクまたは衝撃力で
ある高感度応力検出装置。 - 【請求項４】 請求項１記載の高感度応力検出装置にお
いて、前記磁性体として、アモルファス磁性体を用いる
ことを特徴とする高感度応力検出装置。 - 【請求項５】 請求項４記載の高感度応力検出装置にお
いて、前記磁性体として負の磁歪をもつアモルファス磁
性体を用いることを特徴とする高感度応力検出装置。 - 【請求項６】 請求項４記載の高感度応力検出装置にお
いて、前記磁性体として応力下加熱・冷却処理を施した
アモルファス磁性体を用いることを特徴とする高感度応
力検出装置。 - 【請求項７】 請求項４記載の高感度応力検出装置にお
いて、前記アモルファス磁性体として、アモルファス磁
歪リボン、アモルファススパッタ磁歪厚膜、又はアモル
ファスメッキ磁歪膜を用いることを特徴とする高感度応
力検出装置。 - 【請求項８】 請求項４記載の高感度応力検出装置にお
いて、前記アモルファス磁性体として、アモルファスワ
イヤを用いることを特徴とする高感度応力検出装置。 - 【請求項９】 請求項８記載の高感度応力検出装置にお
いて、前記アモルファスワイヤは、直径が１００μｍ以
下であることを特徴とする高感度応力検出装置。 - 【請求項１０】 請求項１記載の高感度応力検出装置に
おいて、前記交流電流として、半導体発振回路の電流を
用いることを特徴とする高感度応力検出装置。 - 【請求項１１】 請求項１０記載の高感度応力検出装置
において、前記半導体発振回路として、ＣＭＯＳマルチ
バイブレータ回路を用いることを特徴とする高感度応力
検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32636096A JP3614588B2 (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | 高感度応力検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32636096A JP3614588B2 (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | 高感度応力検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10170355A true JPH10170355A (ja) | 1998-06-26 |
| JP3614588B2 JP3614588B2 (ja) | 2005-01-26 |
Family
ID=18186934
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32636096A Expired - Fee Related JP3614588B2 (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | 高感度応力検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3614588B2 (ja) |
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