JPH0261530A

JPH0261530A - 力学量センサ

Info

Publication number: JPH0261530A
Application number: JP21308788A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Wakamiya; 若宮　正行; Hiroaki Obayashi; 大林　博明
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1988-08-26
Publication date: 1990-03-01

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】産業上の利用分野本発明は、アモルファス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、特に荷重センサに関する。

従来の技術従来、一般に荷重等の力学量を計測する場合、金属線歪
みゲージ方式のものが古くから利用されているが、感度
が小さく、より感度の大きな力学量の計測方法が検討さ
れてきている。即ち、歪みゲージ方式のものより、数千
倍感度の良い力学量の計測方法として圧電材料の圧電効
果を用いたものや、アモルファス合金等の磁歪材料など
の力学量（機械量）−電気量変換特性を利用した力学量
センサが作製されている。

前者の例としては、特開昭６１−１１８６３５号公報に
、圧電素子を利用した圧力センサが記載されている。第
７図に前記センサの断面構造を示す。外部から与えられ
た圧力が受圧板４１を経て圧電素子４２に応力を発生さ
せ、これによって圧電素子に発生した電荷を出力として
検出するセンサである。４３．４４．４５はそれぞれ弾
性嗅、モールド材及び電極板である。

一方、特開昭６０−８８３３６号公報の記載にみられる
ように、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
変化し、このため、磁気回路を構成したコイルのインピ
ーダンスが変化し、これを電気的に検出する原理のもの
もある。第８図に前記センサの断面構造を示す。５１は
応力磁気効果を有するアモルファス磁性合金円板、５２
は円環状の溝５３が設けられた円柱状の軟磁性体、５４
は前記軟磁性体の溝部に巻装去れたコイル、５５は一端
を溝部底部に接し他端を軟磁性体開口部面と面位置にな
る非磁性リング、５６はこれらを収納する容器、５７ａ
は非晶質磁性合金に圧力を伝達する透孔５７ｂを有した
蓋部である。

ここでは圧力が油圧導入口５８に加わると、透孔５７ｂ
を通して圧力がアモルファス磁性合金円板５１に加わり
、これを軟磁性溝部において押し下げアモルファス磁性
合金円板内に応力が発生する。この内部応力の発生で応
力磁気効果により磁歪を有するアモルファス磁性合金の
透磁率が減少する。この変化をコイル５４を用いてイン
ダクタンスの形で検出し油圧を測定する様になっている
。

発明が解決しようとする課題感度の大きな力学量計測方法の一つであるアモルファス
合金の応力−磁気効果（磁歪効果）により圧力などの力
学量を検出するセンサにおいては、その検出に磁気回路
を構成する。前述の特開昭６０−８８３３６号公報に記
載の発明では、コイルとアモルファス磁性合金円板、お
よび軟磁性体が磁気回路を構成している。この為同じ力
学量である荷重計測ができない。また、アモルファス磁
性合金以外に軟磁性体が構成部品として必要なため、ト
ランスジューサ部の体積をとるばかりでなく、コイルと
アモルファス磁性合金円板、および軟磁性体がそれぞれ
独立なため、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と軟磁性体の相対
的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。

また、もう一つの感度の大きな計測方法の一つである、
圧電材料をトランスジューサ材料として用いた圧力セン
サでは、同様な構造で荷重の検出が可能であるが、あ（
までもある周波数を有する変動荷重の検出ができるので
あり、時間変化のない一定の荷重、いわゆる直流荷重の
検出が不可能であるという欠点を有する。

そこで本発明は、上述のアモルファス合金応用力学量セ
ンサの、荷重を検出できない、磁気回路構成部材が多い
ためトランスジューサ部体積が大きくかつ精度の良い計
測ができないという欠点と、圧電材料応用の直流成分の
荷重の検出ができないという欠点に着目し、これらの課
題を解決した高感度で簡素な構造を有しかつ直流成分の
荷重を検出可能な力学量センサである荷重センサ、荷重
スイッチを供給することを目的とする。

課題を解決するための手段磁歪を有するアモルファス合金と、そのアモルファス合
金の厚み方向に荷重を印加する手段とを有し、外部から
の荷重を前記荷重を印加する手段を介して前記アモルフ
ァス合金に印加した場合に前記アモルファス合金に生じ
る透磁率の変化を、少なくとも前記アモルファス合金と
コイルとから形成された磁気回路における前記コイルの
インククタンス変化として検出する構成とする。

作　　用上述の構成からなる力学量センサは、荷重が印加される
と、磁歪を有するアモルファス合金の厚み方向に圧縮力
が印加され、ポアッソン結合により前記合金の面内には
張力が印加された内部応力状態となる。この応力状態に
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
て検出できる。

実施例本発明の実施例について以下に詳述する。

実施例１第１図（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施例である荷重
センサの斜視図であり、（ａ）はその構成部材分解図、
（ｂ）はセンサとして組み立てた際の外観図である。１
は２０　Ｘ　１０−’の飽和磁歪を有する鉄系のアモル
ファス磁性合金（Ｆｅｔｓ、６ＣｒｔＳｉ＋２．５Ｂａ
）であり、キュリー点と結晶化温度の間の温度で数分間
アニールして前記磁性合金の応力緩和を行い、その磁気
異方性を小さ（すると同時に透磁率を３０００以上（１
ｋＨｚ、１ＯＩＯｅ）に太き（したものである。２は前
記アモルファス磁性合金１に荷重を印加するための圧力
印加手段であり、チタン合金からなり、アモルファス磁
性合金１の斜線部１ａに応力を印加する。３は、同じく
チタン合金からなる圧力印加手段であり、圧力印加手段
２との協働により作用する。荷重はアモルファス合金の
厚み方向に印加される。４はコイルであり、アモルファ
ス合金１と圧力印加手段２．３の回りから巻回してあり
、これによって磁気回路がアモルファス合金に沿って形
成されている・。

本実施例の荷重センサの、荷重印加時におけるコイルの
インダクタンス変化特性（ｌｋＨｚ）を第２図に示した
。荷重印加により約４０％のインダクタンス値の変化を
示す。この値はインピーダンスに変換でき、コイル間の
電圧変化と１；１の対応関係にあるため、荷重の検出が
可能である。このセンサはいわゆる直流成分（周波数Ｏ
Ｈｚ　）及び交流成分の両方の荷重が高感度かつ高精度
で検出が可能であり、アモルファス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のため、安
価な荷重センサが供給できる。また低荷重印加領域での
変化が極めて大きいため、荷重スイッチとしての応用に
特に優れている。また、荷重の値はアモルファス合金の
受応力面積の変化により調整が可能である。

実施例２第３図（ａ）、（ｂ）及び（Ｃ）は本発明の他の実施例
である荷重センサの斜視図と断面図であり、（ａ）はそ
の構成部材分解図、（ｂ）はセンサとして組み立てた際
の断面図、そして（Ｃ）は荷重センサの外観図である。

１１は磁歪を有する鉄系アモルファス磁性合金であり、
キュリー点と結晶化温度の間の温度で数分間アニールし
て前記磁性合金の応力緩和を行い、その透磁率を太き（
したものである。また、このアモルファス合金１１は、
その内部に面内の内部応力が残留するように、接着材１
５によって圧力印加手段１２に接着しである。圧力印加
手段１２はチタン系合金からなり、これを通してアモル
ファス合金に応力を印加する。アモルファス合金１１及
び圧力印加手段１２を構成するチタン系合金の線熱膨張
係数はそれぞれ９．５ＸｌＯ−６及び９゜０ＸＩＯ−’
である。この差が、±２ＸｌＯ−６以下の場合、接着に
よるアモルファス合金への応力印加がセンサのインダク
タンス値の変化を基本的に第２図或は第４図のような特
性を維持したが、この線熱膨張係数差が±２Ｘ１０−’
°以上の場合、このインダクタンス値の変化は著しく複
雑な変化を示し、荷重センサとして使い難い。１３は同
じ（チタン合金からなる圧力印加手段であり、圧力印加
手段１２との協働により作用する。荷重はアモルファス
合金の厚み方向に印加される。１４はコイルであり、ア
モルファス合金１１と圧力印加手段１２．１３の回りに
巻回してあり、これによって磁気回路がアモルファス合
金に沿って形成されている。

本実施例の荷重センサの荷重印加時のコイルのインダク
タンス変化特性（２０ｋｌ！ｚ）を第４図に示した。荷
重印加により約４０％のインダクタンス値の変化を示す
。実施例１と同様の原理によって、荷重の検出が可能で
ある。このセンサもまた実施例１と同様に所謂直流成分
（周波数ＯＨｚ）及び交流成分荷重の両方の検出が高感
度、かつ高精度で検出が可能Ｏであり、安価な荷重セン
サが供給できる。また本実施例の構造のセンサに於いて
も、低荷重印加領域でのインダクタンス変化が極めて大
きいため荷重スイッチとしての応用に特に優れている。

このような低荷重印加領域でのインダクタンス変化が極
めて大きい挙動は、荷重を印加しない場合アモルファス
合金の内部応力が実施例１のように緩和されているか、
又は本実施例のように面内に応力が残留している場合に
のみ生じた。即ち、磁気異方性が極めて小さ（なった場
合もしくは面内の磁気異方性が存在する場合である。ま
た、荷重の値はアモルファス合金の受応力面積の変化に
より調整が可能である。

実施例３第５図は実施例２とほぼ同様の構造を有する本発明の他
の実施例である荷重センサの断面図である。２１は磁歪
を有する鉄系アモルファス磁性合金であり、スパッタリ
ング法により、直接荷重を印加する手段２２上に形成し
、その合金のキュリー点と結晶化温度の間の温度で数分
間アニールして前記磁性合金の応力緩和を行うと同時に
アモルファス合金に面内応力を印加する。２３は他方の
圧力印加手段である。荷重はアモルファス合金の厚み方
向に印加される。２４はコイルであり、アモルファス合
金２１と圧力印加手段２２．２３の回りに巻回してあり
、これによって磁気回路がアモルファス合金に沿って形
成されている。本実施例においても、アモルファス合金
と荷重印加手段２２との線熱膨張係数差を±２ＸＩＯ−
’以下とした。この線熱膨張係数差の結果は、接着によ
る場合と同様であり、線熱膨張係数差が±２Ｘ１０−６
以上の場合、荷重センサとして用いることが困難であっ
た。本実施例も実施例１および２と同様な原理で荷重の
検出が可能である。また本実施例のセンサも実施例１お
よび２と同様に荷重スイッチとしての応用に特に優れ、
荷重の値はアモルファス合金の受応力面積の変化により
調整が可能である。

実施例４第６図は本発明の他の実施例である荷重センサの断面図
である。実施例２と全く同様な内部構造を有し、３１は
磁歪を有する鉄系アモルファス磁性合金であり、直接荷
重を印加する手段３２上に接着材３５によって接着形成
したもの、３３は他方の荷重印加手段である。３４はコ
イルである。

３６は４５％Ｎｉ−Ｆｅ合金であり、本実施例では荷重
スイッチの外部容器となっている。

実施例２のセンサ及び本実施例４のセンサについて、磁
界環境を変化させて、同一荷重印加時のセンサ出力を比
較した結果によると、本実施例４のセンサではその出力
変化が１％以下であったのに対し、実施例２のセンサに
おいては約３％変化した。後者のものはさらに外部磁界
が太き（なった場合、例えば強力な磁石を近づけた場合
さらに大きくなることが予想される。このようにセンサ
のトランスジューサ部を高透磁率磁性材料によって被覆
した力学量センサや荷重スイッチは、外部磁界に対する
影響を受けず、外部環境に安定なセンサとなる。

以上４つの実施例においてはセンサ構造の中央部に貫通
空間を有するものについて述べたが、このような構造は
、荷重を支柱で支えている場合その支柱の回りに取り付
け、その支柱に印加されている荷重を検出するのに適し
ている。特に実施例２．３及び４に於いては荷重計測時
における偏荷重による計測誤差を大きく低減できる。

上記実施例ではいずれもアモルファス合金とコイルから
なる磁気回路を形成する荷重センサについて述べたが、
上述のような厚み方向への荷重印加によるアモルファス
磁性合金の応力磁気効果を検出原理とするものであれば
、磁気回路中にこれら以外のものを含む構造のものであ
っても同様の効果が期待できる。

また、本実施例では磁歪を有する鉄系アモルファス磁性
合金を主として用いたが、例えば飽和磁歪定数が負の値
を有するコバルト系アモルファス磁性合金においても同
様な効果が期待できる。

さらに本実施例では圧力印加手段としてチタン合金を例
に記述したが、他の金属、又は石英、アルミナ等のセラ
ミックス、あるいは樹脂等でもよい。圧力印加手段とし
てできるかぎり剛性があり、かつ磁性を持たない材料が
望ましい。

なお、本実施例は主として荷重を加える（所謂圧の荷重
）場合にその計測が可能な力学量センサについて記述し
たが、これらの構造を接着等の手段によって受応力部と
トランスジューサ部を完全固着すれば所謂負の荷重の計
測も可能である。

発明の効果本発明によれば、荷重印加手段を介してアモルファス合
金の厚み方向に印加される荷重をコイルのインピーダン
ス変化として検出するため、直流成分（周波数ＯＨｚ）
及び交流成分の両方の荷重を、高感度、かつ高精度で検
出可能であり、且つセンサ構造が簡単なため、安価な力
学量センサ、荷重センサが供給できる。また、その低荷
重印加時のインピーダンス変化が急峻であるため、力学
量スイッチ、荷重スイッチとしての応用に適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における荷重センサを示し、
（ａ）及び（ｂ）はそれぞれその構成部材分解図、組み
立て外観図、第２図は同実施例の荷重センサのインダク
タンス変化特性を示すグラフ、第３図は本発明の他の実
施例の荷重センサを示し、（ａ）、（ｂ）及び（Ｃ）は
それぞれその構成部材分解図、センサの組み立て断面図
、外観図、第４図は同実施例の荷重センサのインダクタ
ンス変化特性を示すグラフ、第５図及び第６図は各々、
本発明の更に他の実施例における荷重センサの断面図、
第７図及び第８図は各々、力学量センサの従来例を示す
断面図である。１．１１．２１．３１．５１・・・アモルファス磁性合
金、２．３．１２．１３．２２．２３・・・圧力印加手
段、３２．３３・・・荷重印加手段、４．１４．２４．
３４．５４・・・コイル、１５．３５・・・接着材、３
６・・・Ｎｉ−Ｆｅ合金磁性材料容器。第１図Ｃａノ第２図飼′ 菫　　（ドｔ　ｆ）第図２θθ 及Ｖ凌ＶＷ珂！（ヒ１ｆ）第図弔図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）磁歪を有するアモルファス合金と、そのアモルフ
ァス合金の厚み方向に荷重を印加する手段とを有し、外
部からの荷重を前記荷重を印加する手段を介して前記ア
モルファス合金に印加した場合に前記アモルファス合金
に生じる透磁率の変化を、少なくとも前記アモルファス
合金とコイルとから形成された磁気回路における前記コ
イルのインダクタンス変化として検出することを特徴と
する力学量センサ。
（２）磁気回路を構成する要素を高透磁率磁性材料によ
って被覆したことを特徴とする請求項１に記載の力学量
センサ。
（３）磁歪を有するアモルファス合金と、そのアモルフ
ァス合金の厚み方向に荷重を印加する手段とを有し、外
部からの荷重を前記荷重を印加する手段を介して前記ア
モルファス合金に印加した場合に前記アモルファス合金
に生じる透磁率の変化を、少なくとも前記アモルファス
合金とコイルとから形成された磁気回路における前記コ
イルのインダクタンス変化として検出するよう構成され
るとともに、中央部に貫通空間を有し、前記貫通空間を
中心として周囲に閉じられた磁気回路を前記アモルファ
ス合金とコイルで形成し、前記アモルファス合金と前記
荷重を印加する手段の線熱膨張係数差が２×１０＾−＾
６以下であり、かつ前記アモルファス合金の内部応力が
前記厚み方向に垂直な面内に存在するか或は可能な限り
応力緩和された状態で固定したことを特徴とする荷重ス
イッチ。