JP3816514B2

JP3816514B2 - 圧力センサ

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Publication number: JP3816514B2
Application number: JP2005504303A
Authority: JP
Inventors: 輝夫森
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: TW200427973A; TWI258577B; WO2004088258A1; JPWO2004088258A1; KR20050111789A; KR100848447B1; CN1768255A; US7219552B2; US20060174711A1

Description

本発明は、流体の圧力変化を磁歪素子の伸縮による磁化率の変化によって検出する圧力センサに関し、特に、装置の小型化を実現しながら、同時に、短時間で高感度、高精度の圧力検出ができる圧力センサに関する。

従来、液体や気体等の流体の圧力変化を検出可能とした圧力センサの一つとして、流体によって加圧されたダイヤフラムのたわみ（変位）を電気信号に変換し、この電気信号に基づいて圧力変化を検出するダイヤフラム式圧力センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、これらダイヤフラム式圧力センサは、ダイヤフラムのたわみによって圧力を検出するため、検出に比較的長い時間を必要とする上に、ダイヤフラムの変位は一般に非直線特性を示すため、高精度の測定が困難であるといった問題点があった。

このような問題点を解決する一手段として、近年、磁歪素子を用いた圧力センサが注目されている。この磁歪素子を用いた圧力センサは、外部応力を与えると大きな磁化率の変化を生じる磁歪素子の特性を利用したもので、例えば、タイヤ圧検出装置（特許文献２参照）等の分野に適用されている。

図５に示されるように、このタイヤ圧検出装置に適用されている圧力センサ１は、タイヤの内圧による圧縮力をプッシュロッド２を介して超磁歪材料３に作用させている。そして、この超磁歪材料３の周囲に配置されたコイル４によって、該超磁歪材料３の磁化率の変化を検出し、タイヤの空気圧を測定している。

特開平１１−４４５９７号公報特開平１１−２８７７２５号公報

しかしながら、この従来公知の圧力センサ１においては、測定対象であるタイヤの空気圧をプッシュロッド２を介して超磁歪材料３に作用させているため、空気圧の微小な変化を検出することが困難で、圧力測定の感度や精度が低くなってしまうといった問題点があった。

しかも、前記超磁歪材料３は棒状の部材からなり、その軸方向端面だけでプッシュロッド２からの圧縮力を受ける構造となっているので、このプッシュロッド２の圧縮力が作用する面積が小さく、超磁歪材料３の変形量（磁化率の変化）が小さいといった問題点があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、装置の小型化を実現しながら、同時に、短時間で高感度、高精度の圧力検出ができる圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の発明者は、研究の結果、流体の微小な圧力変化を高感度且つ高精度で検出できる手段を見出した。

即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。

（１）液体や気体等の流体を充填可能であって、該流体に接する面の少なくとも一部を磁歪素子からなる磁歪部材で形成したケーシングと、該ケーシング内に充填した前記流体の圧力変動にもとづく前記磁歪部材の伸縮による透磁率又は残留磁化量の変化を検出する検出手段とを有し、前記ケーシングは、略円筒形状の前記磁歪部材と、該磁歪部材の軸方向両端開口部を覆うように配置された略円板状の一対の蓋体とにより構成されると共に、該一対の蓋体の少なくとも一方には、前記磁歪部材の内側空間に前記流体を導入する通路が設けられ、更に、前記ケーシングの軸方向には、前記磁歪部材の内側空間及び前記一対の蓋体を貫通した状態で配置され、且つ、該一対の蓋体を前記磁歪部材に対して軸方向に締め付け固定するボルトが設けられ、このボルトに前記通路が形成されていることを特徴とする圧力センサ。

（２）前記検出手段は、前記磁歪部材を囲むピックアップコイルを含み、前記透磁率又は残留磁化量の変化を前記ピックアップコイルのインダクタンス変化として検出するようにされたことを特徴とする（１）に記載の圧力センサ。

（３）前記検出手段は、ホール素子及び磁気抵抗効果素子の一方を含み、前記透磁率又は残留磁化量の変化を前記ホール素子及び磁気抵抗効果素子の一方の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とする（１）に記載の圧力センサ。

（４）前記略円筒形状の磁歪部材のヤング率を３×１０⁶（Ｎ／ｃｍ²）、該磁歪部材が前記流体から受ける圧力を９８０（Ｐａ）とした場合に、前記磁歪部材の半径方向の厚さを０．０５（ｍｍ）〜５（ｍｍ）としたことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の圧力センサ。

（５）更に、前記磁歪部材の軸方向にバイアス磁界を印加可能なバイアス磁石を備えたことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の圧力センサ。

（６）前記磁歪部材の軸方向に圧縮予圧を加える予圧部材を設けたことを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の圧力センサ。

（７）前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の圧力センサ。

本発明の圧力センサは、装置の小型化を実現しながら、同時に、短時間で高感度、高精度の圧力検出ができるという優れた効果を有する。

以下、本発明の実施形態の例を図面を参照して説明する。

図１に示されるように、本発明の実施形態の例に係る圧力センサ１０は、ケーシング１２とピックアップコイル（検出手段）１４により構成されており、このケーシング１２内に充填した流体１６の圧力変動を、ピックアップコイル１４によって検出するようにされている（後述）。

ケーシング１２は、図１において横向きの略円筒形状の超磁歪部材１８と、一対の第１、第２バイアス磁石（蓋体）２０、２２と、ボルト２４と、一対のナット２６、２８により構成されている。

ピックアップコイル１４は、略円筒形の形状を有し、図１において横向きに配置された超磁歪部材１８の外側に、これを囲むようにして同軸的に配置されている。

第１、第２バイアス磁石２０、２２は、略円板状の磁性部材からなり、略円筒形状の超磁歪部材１８の軸Ｌ１方向両端開口部をそれぞれ覆って、且つ、密着して配置されている。

このように、ケーシング１２内には、超磁歪部材１８の更に内側に、その内周面１８Ａと、第１、第２バイアス磁石２０、２２の軸方向一端面２０Ａ、２２Ａとによって規定される内側空間１２Ａが形成されている。

ボルト２４は、この内側空間１２Ａ及び第１、第２バイアス磁石２０、２２のボルト孔２０Ｂ、２２Ｂを、図１における左右方向に貫通して配置されると共に、その軸方向両端から螺合された一対のナット２６、２８を介して、第１、第２バイアス磁石２０、２２を超磁歪部材１８に対して軸Ｌ１方向に締め付け固定している。その結果、この超磁歪部材１８には、第１、第２バイアス磁石２０、２２によって、軸Ｌ１方向に、圧縮予圧が加えられると共にバイアス磁界が印加され、超磁歪部材１８の磁化率変化の増大による圧力センサ１０の効率向上が可能な構造となっている。

なお、超磁歪部材１８の軸方向両端面１８Ｂ、１８Ｃと、これと当接する第１、第２バイアス磁石２０、２２の一端面２０Ａ、２２Ａとの間には、略リング形状のパッキン２９Ａ、２９Ｂがそれぞれ設けられている。又、ボルト２４の半径方向外周面２４Ｃと、これが貫通する第１、第２バイアス磁石２０、２２のボルト孔２０Ａ、２２Ａの内周面との間には、略リング形状のパッキン２９Ｃ、２９Ｄがそれぞれ設置されている。このように、ケーシング１２の内側空間１２Ａは、パッキン２９Ａ〜２９Ｄによって高い気密性が確保され、ケーシング１２内に流体１６が充填可能な構造となっている。

ボルト２４の軸方向中央部付近には、このボルト２４を直径方向に貫通する貫通孔２４Ａが形成され、又、軸方向一端側（図中の右側）から貫通孔２４Ａまでは、軸方向に連通孔２４Ｂが形成されている。即ち、ケーシング１２の内側空間１２Ａは、これらボルト２４の貫通孔２４Ａ及び連通孔２４Ｂを介してケーシング１２外と連通されており、ケーシング１２外の流体１６を、ケーシング１２の内側空間１２Ａに導入可能な構造となっている。

超磁歪部材１８は、超磁歪素子を材料として用いている。なお、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいい、この超磁歪素子は、外部応力を受けて変形すると大きな磁化率の変化を生じる特性を有している。ピックアップコイル１４は、このような超磁歪部材１８の変形（伸縮）によって生じる透磁率又は残留磁化量の変化を、ピックアップコイル１４のインダクタンスの変化として検出可能である。

次に、本発明の実施形態の例に係る圧力センサ１０の作用について説明する。

圧力センサ１０のケーシング１２（の内側空間１２Ａ）内に、圧力の検出対象である液体や気体等の流体が充填されると、この流体１６に接する超磁歪部材１８の内周面１８Ａ及び第１、第２バイアス磁石の一端面２０Ａ、２２Ａに、流体１６の圧力が加えられる。そして、この流体１６からの圧力によって、ケーシング１２に変形が生じ、略円筒形状の超磁歪部材１８は半径方向に伸長すると共に、軸方向に収縮することになる。その結果、ピックアップコイル１４の内側空間に占める超磁歪部材１８の容積が変化すると共に、この超磁歪部材１８の透磁率又は残留磁化量が変化する。従って、この透磁率または残留磁化率の変化をピックアップコイル１４のインダクタンス値の変化として検出することで、流体１６の圧力変化を検出できる。

本発明の実施形態の例に係る圧力センサ１０によれば、液体や気体等の流体１６の圧力を、他の部材を介することなく直接、超磁歪部材１８に作用させることが可能となるため、従来は検出が困難であった流体１６の微小な圧力変化を検出することが可能で、高感度、高精度の圧力検出ができる。しかも、超磁歪部材１８は、外部応力に対する応答の速い超磁歪素子を材料としているため、短時間での圧力検出ができる。

又、圧力センサ１０は、ピックアップコイル１４を備え、超磁歪部材１８の透磁率又は残留磁化量の変化をこのピックアップコイル１４のインダクタンス変化として検出しているため、簡易な構造でありながら、圧力変化の検出が容易である。

更に、ケーシング１２の一部を略円筒形状の超磁歪部材１８で構成し、超磁歪部材１８の内周面１８Ａを流体１６に接するような構造にしているため、超磁歪部材１８と流体１６との接触面積を増大させることが可能で、より高精度、高感度の圧力検出が可能である。

なお、略円筒形状の超磁歪部材１８の半径方向の厚さは、超磁歪部材１８のヤング率を３×１０⁶（Ｎ／ｃｍ²）、この超磁歪部材１８が流体１６から受ける圧力を９８０（Ｐａ）とした場合に、０．０５（ｍｍ）〜５（ｍｍ）程度とすることが好ましい。

又、圧力センサ１０は、超磁歪部材１８にバイアス磁界を印加可能な第１、第２バイアス磁石２０、２２を備えているため、温度特性の向上が実現できる。より具体的には、超磁歪部材１８の軸Ｌ１方向にバイアス磁界を印加したことで、周囲温度変化に伴うピックアップコイル１４のインダクタンス変化が少なくなるため、温度特性の向上によって圧力検出の精度を向上させることができる。

上記実施形態の例においては、ケーシング１２の一部を略円筒形状の超磁歪部材１８で構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、液体や気体等の流体を充填可能であって、この流体に接する面の少なくとも一部を磁歪素子からなる磁歪部材で形成したケーシングであればよい。従って、例えば、図２に示す圧力センサ３０のように、軸方向一端側（図中の左側）を有底とした略円筒形状の超磁歪部材３８を用いてケーシング３２を形成してもよい。この場合には、ケーシング３２内の内側空間３２Ａの気密性の向上が容易となる上に、パッキン等のシール部材の部品点数が削減できる。

又、ケーシング１２を構成する超磁歪部材１８の蓋体として、一対の有磁性の第１、第２バイアス磁石２０、２２を用いたが、本発明はこれに限定されず、磁性を有しない部材を用いてもよい。

上記実施形態の例においては、超磁歪部材１８の透磁率又は残留磁化量の変化を、ピックアップコイル１４のインダクタンス変化として検出したが、本発明はこれに限定されるものではなく、（超）磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な、他の検出手段を適用してもよい。従って、例えば、図３に示す圧力センサ４０のように、ホール素子４２を検出手段とし、透磁率又は残留磁化量の変化をこのホール素子４２の起電力変化として検出してもよい。

又、図４に示す圧力センサ５０のように、磁気抵抗効果素子５２を検出手段とし、透磁率又は残留磁化量の変化をこの磁気抵抗効果素子５２の起電力変化として検出してもよい。

なお、上記実施形態の例においては、圧力センサ１０を超磁歪素子からなる超磁歪部材１８で構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁歪素子からなる磁歪部材を用いてもよい。

本発明の実施形態の例に係る圧力センサの側断面を示した模式図である。本発明の実施形態の他の例に係る圧力センサの側断面を示した模式図である。ホール素子を検出手段として用いた圧力センサの側断面を示した模式図である。磁気抵抗効果素子を検出手段として用いた圧力センサの側断面を示した模式図である。従来の圧力センサの側断面を示した模式図である。

符号の説明

１…圧力センサ
２…プッシュロッド
３…超磁歪材料
４…コイル
１０、３０…圧力センサ
１２、３２…ケーシング
１２Ａ、３２Ａ…内側空間
１４…ピックアップコイル
１６…流体
１８、３８…超磁歪部材
１８Ａ…内周面
１８Ｂ、１８Ｃ…両端面
２０…第１バイアス磁石
２２…第２バイアス磁石
２０Ａ、２２Ａ…一端面
２０Ｂ、２２Ｂ…ボルト孔
２４…ボルト
２４Ａ…貫通孔
２４Ｂ…連通孔
２４Ｃ…外周面
２６、２８…ナット
２９Ａ〜２９Ｄ…パッキン
４０、５０…圧力センサ
４２…ホール素子
５２…磁気抵抗効果素子

Claims

液体や気体等の流体を充填可能であって、該流体に接する面の少なくとも一部を磁歪素子からなる磁歪部材で形成したケーシングと、該ケーシング内に充填した前記流体の圧力変動にもとづく前記磁歪部材の伸縮による透磁率又は残留磁化量の変化を検出する検出手段とを有し、
前記ケーシングは、略円筒形状の前記磁歪部材と、該磁歪部材の軸方向両端開口部を覆うように配置された略円板状の一対の蓋体とにより構成されると共に、該一対の蓋体の少なくとも一方には、前記磁歪部材の内側空間に前記流体を導入する通路が設けられ、
更に、前記ケーシングの軸方向には、前記磁歪部材の内側空間及び前記一対の蓋体を貫通した状態で配置され、且つ、該一対の蓋体を前記磁歪部材に対して軸方向に締め付け固定するボルトが設けられ、このボルトに前記通路が形成されていることを特徴とする圧力センサ。
請求項１において、
前記検出手段は、前記磁歪部材を囲むピックアップコイルを含み、前記透磁率又は残留磁化量の変化を前記ピックアップコイルのインダクタンス変化として検出するようにされたことを特徴とする圧力センサ。
請求項１において、
前記検出手段は、ホール素子及び磁気抵抗効果素子の一方を含み、前記透磁率又は残留磁化量の変化を前記ホール素子及び磁気抵抗効果素子の一方の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とする圧力センサ。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記略円筒形状の磁歪部材のヤング率を３×１０⁶（Ｎ／ｃｍ²）、該磁歪部材が前記流体から受ける圧力を９８０（Ｐａ）とした場合に、前記磁歪部材の半径方向の厚さを０．０５（ｍｍ）〜５（ｍｍ）としたことを特徴とする圧力センサ。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
更に、前記磁歪部材の軸方向にバイアス磁界を印加可能なバイアス磁石を備えたことを特徴とする圧力センサ。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記磁歪部材の軸方向に圧縮予圧を加える予圧部材を設けたことを特徴とする圧力センサ。
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする圧力センサ。