DE68912093T2

DE68912093T2 - Magnetostriktiver Druckwandler.

Info

Publication number: DE68912093T2
Application number: DE68912093T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Hase; Rihito Shoji; Masayuki Wakamiya
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-10-26
Filing date: 1989-10-18
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: USRE34510E; KR900006772A; KR930007320B1; US4938069A; DE68912093D1

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, der einen Magnetostriktionseffekt einer amorphen magnetischen Legierung nutzt.
Kürzlich wurde ein einen Magnetostriktionseffekt einer amorphen magnetischen Legierung nutzender Drucksensor vorgeschlagen, wie beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 59-111033 (A) aufgezeigt.
Figur 12 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Beispiels eines derartigen herkömmlichen Drucksensors.
In Figur 12 bezeichnet Bezugszeichen 71 einen aus einem weichmagnetischen Werkstoff hergestellten Säulenkörper, in dem eine ringförmige Nut 71a ausgebildet ist. Am Säulenkörper 71 sind eine amorphe magnetische Legierungsscheibe 72, die Magnetostriktion zeigen kann, und ein Abstandshalter 73 aus einer nicht-magnetischen amorphen Legierung angeordnet. Eine mit einem O-Ring 75 ausgerüstete Abdeckung 74, in der Durchgangslöcher 76 ausgebildet sind, weist einen als eine Druckeinführöffnung 74a wirkenden hohlen Abschnitt auf. Eine Spule 78 ist in der ringförmigen Nut 71a angeordnet. All diese Elemente sind in einem Gehäuse 77 untergebracht. Bezugszeichen 79 bezeichnet eine Detektoreinheit.
Ein durch die Druckeinführöffnung 74a angelegter Druck wird durch das Durchgangsloch 76 übertragen und drückt die amorphe magnetische Legierungsscheibe 72 nach unten, so daß die amorphe magnetische Legierungsscheibe mit einer Spannung beaufschlagt wird. Die Spannung verändert die Permeabilität der amorphen magnetischen Legierung aufgrund von Magnetostriktion. Die Veränderung der Permeabilität wird als die Veränderung einer Induktanz der Spule 78 erfaßt, um so die Größe des angelegten Druckes durch die Detektorschaltung 79 zu messen.
Die in dem vorstehend genannten Drucksensor verwendete amorphe magnetische Legierung hatte eine ungleichmäßige Dicke und eine mangelhafte Ebenheit. Folglich wird in dem herkömmlichen Drucksensor, der einen dünnen Streifen einer amorphen magnetischen Legierung verwendet, die Verformung des dünnen Streifens beim Aufbringen eines Druckes durch Reibung zwischen dem dünnen Streifen und dem Abstandshalter unterdrückt. Dadurch erzeugt der herkömmliche Drucksensor eine in Figur 13 dargestellte Ausgangscharakteristik. In der Darstellung in Figur 13 ist eine Hysterese zu erkennen, d.h. eine charakteristische Kurve im Fall des Druckanlegens und eine charakteristische Kurve im Fall der Verringerung eines angelegten Druckes aus einem druckbeaufschlagten Zustand sind voneinander verschieden. Daneben weist die Ausgangsspannungscharakteristik auch eine mangelhafte Linearität auf.
Figur 14 zeigt den Temperatureinfluß auf die Ausgangsspannung des unter einer konstanten Druckbedingung gehaltenen herkömmlichen Drucksensors. In Figur 14 ist zu erkennen, daß sich die Ausgangsspannung des Drucksensors ansprechend auf den Temperaturanstieg verändert.
Wie bereits erwähnt war der herkömmliche Drucksensor aufgrund der Veränderung des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Temperatur, des Vorhandenseins der durch die ungleichmäßige Dicke der amorphen magnetischen Legierung verursachten Hysterese und deshalb, weil sein Ausgangssignal eine mangelnde Linearität aufwies, nachteilhaft.
Aus der DE-A1-36 04 088 ist ein Drucksensor bekannt, der einen Sensorkörper mit einer Druckeinführöffnung umfaßt, der einen Deformationsteil, der durch einen durch die Druckeinführöffnung angelegten Druck deformiert wird, und einen Nicht-Deformationsteil einschließt, der nicht durch den Druck deformiert wird. Der Deformations- und der Nicht-Deformationsteil des Sensorkörpers sind von einem magnetostriktiven amorphen Legierungselement umgeben, um das in Beziehung zu dem Deformations- und dem Nicht-Deformationsteil eine Meßspule bzw. eine Referenzspule angeordnet sind. Das Ausgangssignal des Drucksensors wird durch eine Differenzmessung der Signale aus der Meßspule und der Referenzspule abgeleitet. Aufgrund der Differenzmessung kann der bekannte Drucksensor ein stabiles Ausgangssignal erzeugen, das unabhängig von Temperaturveränderungen ist, das Ausgangssignal kann Jedoch nicht ohne Hysterese erzeugt werden, wenn der Sensor in einem schwachen Meßmagnetfeld betrieben wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor zu schaffen, der ein stabiles Ausgangssignal unabhängig von Temperaturveränderungen erzeugen kann, so daß das Ausgangssignal ohne einen durch Hysterese verursachten Fehler erzeugt wird, und der mit einem schwachen Meßmagnetfeld betrieben werden kann, um den Stromverbrauch zu verringern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch einer Druckeinführöffnung darin, einem Deformationsteil, der durch einen durch die Druckeinführöffnung aufgebrachten Druck zu verformen ist, und einem Nicht-Deformationsteil, der von dem Druck nicht zu verformen ist; mindestens ein Magnetostriktion zeigendes amorphes magnetisches Legierungselement, das an dem Deformationsteil bzw. an dem Nicht-Deformationsteil befestigt ist; Permeabilitätsdetektorelemente, die jeweils derart bezüglich des Deformationsteiles bzw. des Nicht- Deformationsteiles angebracht sind, daß sie zusammen mit dem amorphen magnetischen Legierungselement einen magnetischen Kreis bilden; und eine elektrische Detektoreinrichtung zum Erfassen von Veränderungen der Permeabilitäten in den beiden Elementen und einer Differenz dazwischen, wobei der Sensorkörper aus einem Werkstoff hergestellt ist, der einen größeren thermischen Expansionskoeffizenten als das positive Magnetostriktion zeigende amorphe magnetische Legierungselement hat, und das amorphe magnetische Legierungselement bei einer Temperatur angebracht wird, die einen Temperaturbereich zum Betreiben des Drucksensors übersteigt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1a bzw. 1b sind eine vertikale bzw. eine horizontale Schnittdarstellung eines als Referenz beschriebenen Drucksensors, der hierin nicht beansprucht ist, wobei Figur 1a den Schnitt des Drucksensors entlang der Linie B-B in Figur 1b zeigt, während Figur 1b den Schnitt des Drucksensors entlang der Linie A-A in Figur 1a zeigt;
Figur 2 ist ein Graph einer Ausgangscharakteristik des Drucksensors aus Figur 1a und 1b;
Figur 3 ist ein Graph einer Temperaturcharakteristik des Drucksensors aus Figur 1a und 1b;
Figur 4a bzw. 4b sind eine Vorderansicht bzw. eine Schnittdarstellung eines Drucksensors in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 ist eine Schnittdarstellung eines Drucksensors in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 6 ist ein Graph einer Ausgangscharakteristik des Drucksensors aus Figur 5;
Figur 7 ist eine Schnittdarstellung eines Drucksensors in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 8 ist ein Graph einer Ausgangschrakteristik des Drucksensors aus Figur 7;
Figur 9 ist eine Schnittdarstellung eines Drucksensors in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 10 ist eine Ausgangscharakteristik des Drucksensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 11 ist ein Graph zur Darstellung einer Beziehung zwischen einer am Drucksensor angelegten Thermospannung und einer resultierenden Linearität;
Figur 12 ist eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen Drucksensors;
Figur 13 ist ein Graph einer Ausgangscharakteristik des herkömmlichen Drucksensors aus Figur 12; und
Figur 14 ist ein Graph einer Temperaturcharakteristik des herkömmlichen Drucksensors aus Figur 12.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

BEISPIEL 1

Figur 1a und 1b zeigen eine allgemeine Darstellung eines als Referenz beschriebenen und hierin nicht beanspruchten Drucksensors. Figur 1a ist eine vertikale Schnittdarstellung des Drucksensors, während Figur 1b eine horizontale Schnittdarstellung des Drucksensors zeigt.
Wie Figur 1a und 1b zeigen, hat ein aus rostfreiem Stahl SUS 304 hergestellter zylindrischer Säulenkörper 1 einen Durchmesser von 15 mm und eine Höhe von 1 cm. Eine Druckeinführöffnung 2 mit 1 cm Durchmesser und 1 cm Höhe ist an einem Ende des Säulenkörpers 1 ausgebildet, um ein Loch 3 zum Übertragen eines Druckes zu bilden. Ein Teil 4 des Säulenkörpers 1 ist auf eine Dicke von 0,1 cm gearbeitet, um einen durch Druck zu verformenden Deformationsteil zu bilden, während der übrige Teil dem Säulenkörpers 1 dick ausgeführt ist, um als durch den Druck nicht zu verformender Nicht-Deformationsteil 8 zu wirken.
Ein amorphes Fe-Si-B-Legierungselement 5 ist sowohl am Deformations- oder deformierbaren Teil 4 als auch am Nicht-Deformationsteil 8 an der oberen Fläche des Säulenkörpers 1 befestigt. Ein durch Wickeln einer Spule auf einen U-förmigen Ferritkern mit 40 Windungen hergestellter Druckdetektorkopf 6 ist an dem amorphen Legierungselement 5 angeordnet und an der Oberfläche des Deformationsteiles 4 befestigt. Ein Hilfskopf 7, der denselben Aufbau wie der Druckdetektorkopf 6 aufweist und zum Differentialbetrieb mit diesem eingerichtet ist, ist auf dem amorphen Legierungselement 5 an der Oberfläche des Nicht-Deformationsteiles 8 befestigt angeordnet. Als Hilfskopf ist hierin ein Kopf bezeichnet, der druckunempfindlich ist, um eine Verschiebung des Ausgangssignales des Drucksensors 6 ansprechend auf die Veränderung der Umgebungstemperatur desselben zu eliminieren. In diesem Sinn wird dieser Kopf in der folgenden Beschreibung als "Hilfskopf" bezeichnet.
Ein Magnetfeld zur Messung durch den Druckdetektorkopf 6 und den Hilfskopf 7 hat etwa 10 Oe (800 A/m). Eine Detektoreinheit oder Detektorschaltung 10 ist an einer Abdeckung 9 angebracht, die am Säulenkörper 1 mit Schrauben befestigt ist.
Der Druckdetektorkopf 6 und der Hilfskopf 7 sind an der Unterfläche einer Leiterplatte für die Detektoreinheit 10 mittels Silikongumini befestigt. Der Druckdetektorkopf 6 ist in der Weise positioniert, daß seine beiden Enden nicht oberhalb des Deformationsteiles 4 angeordnet sind.
Nachfolgend wird der Betrieb des vorstehend beschriebenen Drucksensors erläutert.
Ein durch die Druckeinführöffnung 2 aufgebrachter Druck wird entlang dem Loch 3 zum Deformationsteil 4 übertragen und drückt auf den Deformationsteil 4. Folglich wird das an der Oberfläche des Deformationsteiles 4 befestigte amorphe magnetische Legierungselement 5 verformt. Diese Verformung verändert die Permeabilität des amorphen magnetischen Legierungselements 5 aufgrund eines Magnetostriktionseffekts. Die Veränderung der Permeabilität wird als die Veränderung einer Induktanz durch die Druckdetektoreinheit 6 erfaßt.
Andererseits wird ein Ausgangssignal des dem Nicht-Deformationsteil 5 in der Nähe des Deformationsteiles 4 gegenüberliegend angeordneten Hilfskopfes 7 erhalten. Durch Ableiten einer Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Köpfe 6 und 7 wird die Druckveränderung erfaßt.
Eine Ausgangscharakteristik des auf diese Art aufgebauten Drucksensors ist als Beispiel in Figur 2 dargestellt. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, steigt die Ausgangsspannung in einer im allgemeinen proportionalen Beziehung mit dem Ansteigen des aufgebrachten Druckes an und die Ausgangscharakteristik ist ohne Auftreten von Hysterese verbessert. Im Vergleich war ein Fehler von etwa 10% in dem Ausgangssignal eines herkömmlichen Drucksensors aufgrund der in Figur 13 gezeigten Hysterese unvermeidbar. Der Fehler wurde auf etwa 1% durch den Aufbau aus Figur 1a und 1b verringert.
Figur 3 zeigt eine Temperaturcharakteristik des Drucksensors mit vorstehendem Aufbau unter einer konstanten Druckbedingung. Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung des Drucksensors unabhängig von der Temperaturveränderung sich kaum ändert.
Demgemäß ist ein Drucksensor geschaffen, der unabhängig von einer Temperaturveränderung und ohne einen durch Hysterese verursachten Fehler ein stabiles Ausgangssignal erzeugen kann

BEISPIEL 2

Figur 4a und 4b zeigen einen Drucksensor in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 4a ist eine Vorderansicht des Drucksensors, während Figur 4b eine Schnittdarstellung des Drucksensors zeigt.
Ein aus Titan hergestellter zylindrischer Säulenkörper 11 hat, wie in Figur 4a und 4b gezeigt, einen Durchmesser von 2 cm und eine Höhe von 3 cm. Eine an einem Ende des Säulenkörpers 11 ausgebildete Druckeinführöffnung 12 steht mit einer im Säulenkörper 11 ausgebildeten Druckkammer 13 in Verbindung. Ein Teil 14 des Säulenkörpers 11 ist auf eine Dicke von 0,3 cm gearbeitet, um einen Deformationsteil zum Übertragen eines Druckes zu bilden, während der andere Teil des Säulenkörpers 11 dick ausgeführt ist, um einen durch Anlegen eines Druckes nicht zu verformenden Nicht-Deformationsteil 18 zu bilden.
Aus einer eine positive Magnetostriktion zeigenden Fe-Si-B- Cr-Legierung hergestellte amorphe magnetische Legierungselemente 15 sind jeweils am Deformationsteil 14 bzw. am Nicht- Deformationsteil 18 am äußeren Umfang des Säulenkörpers 11 haftend durch eine Klebebehandlung unter Verwendung von Epoxidharz bei 250 ºC für 2 Stunden angebracht. Diese amorphen magnetischen Legierungselemente 15 haben einen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 7,8 x 10&supmin;&sup6;, der kleiner ist als der Expansionskoeffizient (9 x 10&supmin;&sup6;) des aus Titan hergestellten Säulenkörpers 11. Aufgrund des Unterschiedes der thermischen Expansionskoeffizienten wird auf die amorphen magnetischen Legierungselemente 15 eine Druckspannung ausgeübt, wenn der Drucksensor von der Klebetemperatur von 250 ºC abgekühlt wird. Folglich kann die spontane Magnetisierung in Richtung der Dicke der amorphen magnetischen Legierungselemente 15 ausgerichtet oder orientiert werden.
Ein durch Wickeln von Spulen mit 40 Windungen auf einen U- förmigen Ferritkern hergestellter Druckdetektorkopf 16 ist entlang einem äußeren Umfang des amorphen magnetischen Legierungselements 15 am äußeren Umfang des Deformationsteiles 14 haftend angebracht. Ein Hilfskopf 17, dessen Aufbau dem des Druckdetektorkopfes 16 entspricht, ist entlang dem äußeren Umfang des amorphen magnetischen Legierungselements 15 haftend am äußeren Umfang des Nicht-Deformationsteiles 18 angebracht. Bezugszeichen 19 bezeichnet ein Schraubengewinde zum Befestigen des Säulenkörpers 11 und Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Detektoreinheit oder Detektorschaltung.
Der Betrieb des Drucksensors gemäß der ersten Ausführungsform wird nachfolgend erläutert.
Ein durch die Druckeinführöffnung 12 aufgebrachter Druck wird auf die Druckkammer 13 übertragen und wirkt als Spannung zur Ausdehnung der Druckkammer 13. Folglich wird der Deformationsteil 14 verformt, so daß die Permeabilität des an der Oberfläche des Deformationsteiles 14 anhaftenden amorphen magnetischen Legierungselements 15 verändert wird. Diese Veränderung der Permeabilität wird vom Druckdetektorkopf 16 erfaßt und die Größe des angelegten Druckes wird aus einem Differenzsignal zwischen den Ausgangssignalen vom Druckdetektorkopf 16 und dem Hilfskopf 17 gemessen. Der auf diese Weise aufgebaute Drucksensor hatte eine Ausgangscharakteristik und eine Temperaturcharakteristik ähnlich der in Figur 2 bzw. Figur 3 gezeigten. Zusätzlich wurde dieselbe Eigenschaft wie die von Beispiel 1 mit einem magnetischen Meßfeld von etwa 1 Oe aufgrund der Ausrichtung der spontanen Magnetisierung erzielt. Demgemäß wurde die von der Detektoreinheit 20 verbrauchte elektrische Leistung im Vergleich zu der herkömmlichen Einheit auf 1/10 verringert.

BEISPIEL 3

Figur 5 ist eine Schnittdarstellung eines Drucksensors in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein in Figur 5 gezeigter, aus unlegiertem Stahl S45C hergestellter zylindrischer Säulenkörper 21 hat einen Durchmesser von 1 cm und eine Höhe von 7 cm. Eine Druckeinführöffnung 22 mit 0,7 cm Durchmesser ist an einem Ende des Säulenkörpers 21 ausgebildet. Die Druckeinführöffnung 22 steht mit einer im Säulenkörper 21 ausgebildeten Druckkammer 23 in Verbindung. Ein Teil des Säulenkörpers 21 ist auf eine Dicke von 0,15 cm gearbeitet, um einen Deformationsteil 24 zu bilden, während der andere Teil des Säulenkörpers 21 dick ausgeführt ist, um einen durch Anlegen eines Druckes nicht zu verformenden Nicht-Deformationsteil 25 zu bilden.
Amorphe magnetische Legierungselemente 26, die aus einer positive Magnetostriktion zeigenden Fe-Si-B-Cr-Legierung hergestellt sind, sind jeweils an dem Deformationsteil 24 bzw. an dem Nicht-Deformationsteil 25 an der Außenseite des Säulenkörpers 21 durch eine Klebebehandlung unter Verwendung von Epoxidharz bei 250 ºC für 2 Stunden angeklebt. Diese amorphen magnetischen Legierungselemente 26, deren Zusammensetzung von der der amorphen magnetischen Legierungselemente 15 in Beispiel 2 verschieden ist, haben einen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 9,9 x 10&supmin;&sup6;. Andererseits ist der thermische Expansionskoeffizient von unlegiertem Stahl 11,2 x 10&supmin;&sup6;. Daher kann die spontane Nagnetisierung in Richtung der Dicke der amorphen magnetischen Legierungselemente 26 in derselben Weise wie in Beispiel 2 ausgerichtet oder orientiert werden.
Eine Druckdetektorspule 27, die durch Wickeln von Spulen mit 63 Windungen hergestellt ist, ist an der Außenseite des mit dem äußeren Umfang des Deformationsteiles 24 verklebten amorphen magnetischen Legierungselements 26 angeordnet. Eine Hilfsspule 28, die denselben Aufbau wie die Druckdetektorspule 27 aufweist, ist an der Außenseite des mit dem äußeren Umfang des Nicht-Deformationsteiles 25 verklebten amorphen magnetischen Legierungselements 26 angeordnet. Hierin wird die Hilfsspule auch als eine Spule bezeichnet, die druckunempfindlich ist, um eine Verschiebung des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Veränderung einer Umgebungstemperatur des Drucksensors zu eliminieren. In dieser Bedeutung wird eine derartige Spule in der folgenden Beschreibung als "eine Hilfsspule" bezeichnet. Ein Schraubengewinde 29 zur Befestigung des Säulenkörpers 21 ist mit einer Steigung PF 3/8 ausgebildet. Bezugszeichen 30 bezeichnet eine Detektoreinheit.
Der Betrieb des vorstehend beschriebenen Drucksensors wird nachfolgend erläutert:
Ein durch die Druckeinführöffnung 22 aufgebrachter Druck wird in die Druckkammer 23 übertragen und wirkt als eine Spannung zur Ausdehnung der Druckkammer 23. Dadurch wird der Deformationsteil 24 verformt, so daß das mit der äußeren Oberfläche des Deformationsteiles 24 verklebte amorphe magnetische Legierungselement 26 verformt wird. Diese Verformung verändert die Permeabilität des amorphen magnetischen Legierungselements 26 aufgrund eines inversen Magnetostriktionseffektes. Die Veränderung der Permeabilität wird als die Veränderung einer Induktanz durch die Druckdetektorspule 27 erfaßt und ein Differenzwert zwischen den Ausgangssignalen von der Druckdetektorspule 27 und der Hilfsspule 28 wird von der Detektoreinheit 31 abgeleitet. Somit wird die Veränderung eines aufgebrachten Druckes erfaßt.
Der Drucksensor mit vorstehend beschriebenem Aufbau weist eine in Figur 6 dargestellte Ausgangscharakteristik auf. Aus Figur 6 ist zu erkennen, daß die Induktanz in Übereinstimmung mit dem Ansteigen des aufgebrachten Druckes linear zunimmt. Eine Hysterese war im wesentlichen im Vergleich zu einem herkömmlichen Drucksensor, wo eine Hysterese von etwa 10% verbleibt, wie in Figur 13 dargestellt, eliminiert. Die Ausgangscharakteristik war auch hinsichtlich der Linearität verbessert Zusätzlich war die Temperaturcharakteristik des Drucksensors dieselbe wie die des Drucksensors aus Beispiel 2, wie in Figur 3 dargestellt.
In diesem Beispiel wurden Spulen als Elemente zum Erfassen einer Permeabilität verwendet. In diesem Fall hatte ein Magnetfeld zur Messung etwa 1 Oe und eine Einsparung des elektrischen Stromverbrauches wurde in derselben Weise wie bei Beispiel 2 erzielt. Darüberhinaus wurde der Aufbau des Drucksensors durch Verwendung von Spulen vereinfacht, so daß die Herstellungskosten verringert waren.
Demgemäß wird ein Drucksensor geschaffen, der eine hervorragende Temperaturcharakteristik und Linearität mit geringer Hysterese in einem Fall zeigt, in dem Spulen als Detektormittel verwendet werden.

BEISPIEL 4

Figur 7 ist eine schematische Schnittansicht eines Drucksensors in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein in Figur 7 gezeigter, aus Titan hergestellter zylindrischer Säulenkörper 31 hat einen Durchmesser von 1 cm und eine Höhe von 7 cm. Eine Druckeinführöffnung 32 mit 0,6 cm Durchmesser ist an einem Ende des Säulenkörpers 31 ausgebildet. Die Druckeinführöffnung 32 steht mit einer Druckkammer 33 zum Übertragen eines Druckes in Verbindung. Ein Teil des Säulenkörpers 31 ist auf eine Dicke von 0,2 cm gearbeitet, um einen Deformationsteil 34 zu bilden, während der andere Teil des Säulenkörpers 31 dick ausgeführt ist, um einen durch den Druck nicht zu verformenden Nicht-Deformationsteil 35 zu bilden.
Ein aus einer positive Magnetostriktion zeigenden Fe-Si-B-Cr- Legierung hergestelltes amorphes magnetisches Legierungselement 36 ist mit dem Säulenkörper 31 durch eine Klebebehandlung unter Verwendung von Epoxidharz bei 250 ºC für 2 Stunden in der Weise verklebt, daß der Deformationsteil 34 und der Nicht-Deformationsteil 35 mit dem amorphen magnetischen Legierungselement 36 bedeckt sind. In diesem Fall sind die Klebebedingungen wie auch die thermischen Expansionskoeffizienten des Säulenkörpers 31 und des amorphen magnetischen Legierungselements 36 dieselben wie in Beispiel 2, so daß die spontane Magnetisierung des amorphen magnetischen Legierungselements 36 in Richtung der Dicke des amorphen magnetischen Legierungselements 36 in derselben Weise wie in Beispiel 2 ausgerichtet oder orientiert werden kann.
Eine aus "Teflon" (Warenzeichen für Polytetrafluorethylen) hergestellte Hülse 39, die mit einer durch Wickeln von Spulen mit 63 Windungen um diese hergestellten Druckdetektorspule 37 und einer Differentialspule 38, die denselben Aufbau wie die Druckdetektorspule 37 aufweist, versehen ist, ist um den äußeren Umfang des amorphen magnetischen Legierungselements 36 5angebracht. Ein aus 45% Ni-Fe-Legierung hergestelltes Joch 40 ist um den äußeren Umfang der Hülse 39 angebracht. Ein Schraubengewinde zur Befestigung des Säulenkörpers 31 ist mit einer Steigung PF 3/8 am unteren Ende des äußeren Umfangs des Säulenkörpers 31 ausgebildet. Bezugszeichen 42 bezeichnet eine Detektoreinheit.
Der Betrieb des vorstehend beschriebenen Drucksensors wird nachfolgend erläutert.
Ein durch die Druckeinführöffnung 32 aufgebrachter Druck überträgt sich auf die Druckkammer 33 und wirkt als Spannung zur Ausdehnung der Druckkammer 33. Dadurch wird der Deformationsteil 34 verformt, so daß ein mit der äußeren Oberfläche des Deformationsteiles 34 verklebtes amorphes magnetisches Legierungselement 36 verformt wird. Diese Verformung verändert die Permeabilität des amorphen magnetischen Legierungselements 36 aufgrund eines inversen Magnetostriktionseffektes. Die Veränderung der Permeabilität wird als die Veränderung einer Induktanz von der Druckdetektorspule 37 erfaßt und die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Druckdetektorspule 37 und der Hilfsspule 38 wird von der Detektoreinheit 42 abgeleitet, um die Größe des aufgebrachten Druckes zu messen.
Der Drucksensor mit vorstehend beschriebenem Aufbau hat eine in Figur 8 gezeigte Ausgangscharakteristik. In Figur 8 ist zu erkennen, daß die Induktanz ansprechend auf das Ansteigen des aufgebrachten Druckes linear zunimmt. Eine Hysterese ist im Vergleich zu der Ausgangscharakteristik des herkömmlichen Drucksensors, wie in Figur 13 gezeigt, im wesentlichen eliminiert, und die Verbesserung der Linearität ist erkennbar.
In diesem Fall war eine Induktanzveränderung etwa 40% größer als die bei dem in Figur 6 dargestellten Beispiel 3. Diese gesteigerte Veränderung der Induktanz bedeutet, daß der Drucksensor in diesem Beispiel eine verbesserte Empfindlichkeit aufweist. Diese Verbesserung wird aus dem Grunde erzielt, daß (a) ein Druck und eine Verklebeposition des amorphen magnetischen Legierungselements 36 unter denselben Bedinungen gehalten werden, um eine Ungleichmäßigkeit der Verklebung durch die Verwendung eines einzelnen amorphen magnetischen Legierungselements 36 zu vermeiden, und dem Grund (b), daß das Joch mit hoher Permeabilität an der Außenseite der Spulen angeordnet ist, um den Einfluß eines Umgebungsmagnetfeldes, wie z.B. des Erdmagnetismus zu eliminieren.
Mit dem Aufbau dieses Beispiels werden drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt, d.h. die spontane Magnetisierung wird in Richtung der Dicke des amorphen magnetischen Legierungselements ausgerichtet oder orientiert, das amorphe magnetische Legierungselement ist aus einem einzelnen einstückigen Element gebildet und das Joch ist um die Spulen angeordnet. Dieser Aufbau schränkt jedoch die vorliegende Erfindung nicht ein. Eine oder zwei der drei Bedingungen können unabhängig eingesetzt werden. Beispielsweise liegen ein Drucksensor, bei dem ein einzelnes amorphes magnetisches Legierungselement ohne Ausrichtung der spontanen Nagnetisierung und ohne Anordnung eines Jochs verwendet wird; ein Drucksensor, bei dem ein einzelnes amorphes magnetisches Legierungselement verwendet wird, während die spontane Magnetisierung ohne Anordnung eines Jochs ausgerichtet ist; ein Drucksensor, bei dem ein Joch um die Spulen angeordnet ist, während zwei getrennte amorphe magnetische Legierungselemente ohne Ausrichtung der spontanen Magnetisierung verwendet werden; ein Drucksensor, bei dem ein Joch um die Spulen angeordnet ist, während die spontane Magnetisierung ausgerichtet ist, wobei zwei getrennte amorphe magnetische Legierungselemente verwendet werden; und ein Drucksensor, bei dem ein einzelnes amorphes magnetisches Legierungselement verwendet wird, während um die Spulen ein Joch angeordnet ist, ohne daß die spontane Magnetisierung ausgerichtet ist, ebenfalls innerhalb des Umfanges der vorliegenden Erfindung. All diese Drucksensoren weisen verbesserte Empfindlichkeiten auf.
Hinsichtlich der Temperaturcharakteristik weist der Drucksensor gemäß einer der vorstehend beschriebenen Aufbauarten dieselbe Charakteristik wie die in Figur 3 gezeigte auf.
Bedingt durch den Aufbau und den Betrieb des vorstehenden Drucksensors wurde der in Bezug auf eine Temperaturcharakteristik und die Linearität des Ausgangssignals mit einer geringen Hysterese im Vergleich zu einem herkömmlichen Drucksensor verbesserte Drucksensor erzielt. Zusätzlich zeigte der erhaltene Drucksensor eine höhere Empfindlichkeit im Vergleich zu dem Drucksensor aus Beispiel 3.
In vorstehend beschriebenem Aufbau wurden die Spulen als ein Permeabilitätsdetektorelement verwendet. Anstelle der Spulen kann ein Magnetkopf verwendet werden, um dieselbe verbesserte Empfindlichkeit zu erhalten.
Bei vorstehend beschriebenem Aufbau wurde ein positive Magnetostriktion zeigendes amorphes magnetisches Legierungselement mit einem kleineren thermischen Expansionskoeffizienten als derjenige des Säulenkörpers verwendet. Es kann jedoch anstelle dessen eine negative Magnetostriktion zeigende amorphe magnetische Legierung mit einem größeren thermischen Expansionskoeffizienten als demjenigen des Säulenkörpers verwendet werden, um dieselben Eigenschaften zu erhalten.

BEISPIEL 5

Figur 9 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Drucksensors in der vierten Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung.
Ein in Figur 9 gezeigter, aus Titan hergestellter zylindrischer Säulenkörper 51 hat einen Durchmesser von 10 mm und eine Höhe von 70 mm. Eine Druckeinführöf fnung 52 mit 6 mm Durchmesser ist am einen Ende des Säulenkörpers 51 ausgebildet. Die Druckeinführöffnung 52 ist mit einer im Säulenkörper 51 ausgebildeten Druckkammer 53 verbunden. Ein Teil des Säulenkörpers 51 ist auf eine Dicke von 2 mm gearbeitet, um einen Deformationsteil 54 zu bilden. Im Inneren eines Nicht- Deformationsteiles 55, der durch das Aufbringen eines Druckes nicht verformt wird, ist ein hohler Abschnitt 56 in derselben Größe wie diejenige der Druckkammer 53 ausgebildet.
Ein amorphes magnetisches Fe-Si-B-Cr-Legierungselement 57 ist durch eine Klebebehandlung unter Verwendung von Epoxidharz bei 250 ºC für 2 Stunden an dem Säulenkörper 51 in der Weise befestigt, daß der Deformationsteil 54 und der Nicht-Deformationsteil 55 mit dem amorphen magnetischen Legierungselements 57 bedeckt sind.
Eine aus "Teflon" hergestellte Hülse 60, die mit einer durch Wickeln einer Spule mit 100 Windungen um die Hülse 60 hergestellten Druckdetektorspule 58 und einer Hilfsspule 59 mit demselben Aufbau wie dem der Druckdetektorspule 58 versehen ist, ist um den äußeren Umfang des amorphen magnetischen Legierungselements 57 angebracht. Ein aus 45% Ni-Fe-Legierung hergestelltes Joch 61 ist um den äußeren Umfang der Hülse 60 angebracht. Ein Schraubgewinde 62 zur Befestigung des Säulenkörpers 51 ist mit einer Steigung PF 3/8 am unteren Ende des äußeren Umfangs des Säulenkörpers 51 befestigt. Bezugszeichen 63 bezeichnet eine Detektoreinheit.
Der Betrieb des vorstehend beschriebenen Drucksensors wird nachfolgend erläutert.
Ein durch die Druckeinführöffnung 52 aufgebrachter Druck überträgt sich auf die Druckkammer 53 und wirkt als Spannung zur Ausdehnung der Druckkammer 53. Dadurch wird der Deformationsteil 54 verformt, so daß das amorphe magnetische Legierungselement 57, das an der Oberfläche des Deformationsteiles 54 angebracht ist, verformt wird. Diese Verformung verändert die Permeabilität des amorphen magnetischen Legierungselements 57 aufgrund eines inversen Magnetostriktionseffekts. Die Veränderung der Permeabilität wird als die Veränderung einer Induktanz durch die Druckdetektorspule 58 erfaßt und der Differenzwert zwischen den Ausgangssignalen von der Druckdetektorspule 58 und der Hilfsspule 59 wird von der Detektoreinheit 63 abgeleitet, um die Größe des aufgebrachten Druckes zu messen.
Tabelle 1 zeigt die Verhältnisse von Nullpunktverschiebungen zu Empfindlichkeiten des Drucksensors gemäß diesem Beispiel und eines herkömmlichen Drucksensors bei Raumtemperatur. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Nullpunktverschiebung auf etwa 1/2 bis 1/4 unterdrückt wurde und daß die Temperaturcharakteristik des Drucksensors verbessert wurde. Tabelle 1: NULLPUNKTVERSCHIEBUNGSEIGENSCHAFT IN REAKTION AUF DIE TEMPERATUR. Temp. (ºC) Stand der Technik (%) Beispiel 5 (%)
Bedingt durch vorstehend erwähnten Aufbau und Betrieb konnte ein Drucksensor mit einer guten Temperaturcharakteristik im Vergleich zu einem herkömmlichen Drucksensor erhalten werden.

BEISPIEL 6

Der Drucksensor gemäß diesem Beispiel hatte denselben Aufbau wie der in Figur 9 gezeigte, mit der Ausnahme, daß das amorphe magnetische Legierungselement 57 am Säulenkörper 51 durch Klebebehandlung unter Verwendung von warmnärtendem Epoxidharz bei 250 ºC für 2 Stunden unter der Bedingung befestigt wurde, daß die nachfolgend definierten Verhältnisse erfüllt sind:
wobei
ri: Innenradius des zylindrischen Säulenkörpers
ro: Außenradius des Säulenkörpers
αa: Thermischer Expansionskoeffizient der amorphen magnetischen Legierung
αt: Thermischer Expansionskoeffizient des Werkstoffs des Säulenkörpers
Tg: Klebetemperatur
Tm: Betriebstemperatur
ν : Poisson'sche Zahl des Werkstoffs des Säulenkörpers
E: Young'scher Modul des Werkstoffs des Säulenkörpers
Pi: Maximal aufgebrachter Druck
Der Betrieb des Drucksensors gemäß diesem Beispiel ist im allgemeinen ebenfalls derselbe wie derjenige des in Figur 9 gezeigten Drucksensors in Beispiel 5 und auf eine detaillierte Erklärung dieses Aufbaues und des Betriebes wird verzichtet.
Bei dem Drucksensor mit vorstehend beschriebenem Aufbau ist eine thermische Spannung &epsi;t, die in der amorphen magnetischen Legierung erzeugt wird, 352 x 10&supmin;&sup6; aus der Gleichung (2) für eine Betriebstemperatur Tm = 30 ºC und αt - αa = 1,6 x 10&supmin;&sup6;. Wenn andererseits der maximale Druck (Pi = 202 kg/cm²) an den Säulenkörper angelegt wird, ist nach Gleichung (3) eine in dem Säulenkörper erzeugte Spannung &epsi;p 163 x 10&supmin;&sup6;. Daher erfüllt der Drucksensor mit vorstehend beschriebenem Aufbau die Ungleichung (1).
Ein Beispiel der Ausgangscharakteristik des Drucksensors ist in Figur 10 dargestellt. Aus Figur 10 ist ersichtlich, daß dann, wenn eine thermische Spannung aufgrund der Differenz der thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem Werkstoff des zylindrischen Säulenkörpers und der amorphen magnetischen Legierung größer ist als eine durch einen Druck verursachte Spannung, der Drucksensor derartige verbesserte Ausgangscharakteristiken mit einer geringen Hysterese, einer hohen Genauigkeit und einer hohen Linearität hat, wobei eine Abweichung von einer geraden Linie bezüglich der Breite des Empfindlichkeitsbereichs W/S in Figur 10 nur 3% beträgt.
Die Beziehung der Linearität zu der thermischen Spannung &epsi;t wurde an 20 Proben untersucht. Das Ergebnis ist in Figur 11 dargestellt. In Figur 11 entspricht der durch eine vertikale gepunktete Linie angezeigte Spannungswert einer Größe einer Spannung &epsi;p, die im Säulenkörper unter einer Bedingung erzeugt wird, bei der ein Druck Pi = 202 kg/cm² angelegt ist. Es ist experimentell bestätigt, daß diese Spannung &epsi;p gleich einer in dem Säulenkörper durch einen Druck zu erzeugenden Spannung ist.
Aus Figur 11 ist ersichtlich, daß die Linearität in dem Drucksensor, der die Ungleichung (1), daß eine thermische Spannung aufgrund der Differenz der thermischen Expansionskoeffizienten größer ist als eine durch einen Druck bedingte Spannung, erfüllt, bedeutend verbessert ist.
Bedingt durch vorstehend beschriebenen Aufbau und Betrieb kann ein Drucksensor mit einer höheren Genauigkeit und Linearität im Vergleich zu einem herkömmlichen Drucksensor erhalten werden.
Wie erläutert sind gemäß vorliegender Erfindung Elemente zum Erfassen einer Permeabilität jeweils an einem Deformationsteil bzw. einem Nicht-Deformationsteil angeordnet und die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Detektorelemente wird abgeleitet, wodurch ein stabiles Ausgangssignal unabhängig von der Temperatur erhalten wird. Zusätzlich kann durch das Befestigen eines amorphen magnetischen Legierungselements am Deformationsteil die Größe eines angelegten Druckes ohne wesentliche Hysteresefehler gemessen werden.

Claims

1. Drucksensor, der

einen Sensorkörper (11) mit einer Druckeinführungsöffnung (12) darin, einem Deformationsteil (14), der durch einen durch die Druckeinführungsöffnung aufgebrachten Druck zu verformen ist, und einem Nicht-Deformationsteil (18), der von dem Druck nicht zu verformen ist;

mindestens ein Magnetostriktion zeigendes amorphes magnetisches Legierungselement, das an dem Deformationsteil bzw. an dem Nicht-Deformationsteil befestigt ist;

Permeabilitätsdetektorelemente (16, 17), die feweils derart bezüglich des Deformationsteils bzw. des Nicht-Deformationsteils angebracht sind, daß sie zusammen mit dem amorphen magnetischen Legierungselement einen magnetischen Kreis bilden; und

eine elektrische Detektoreinrichtung (20) zum Erfassen von Veränderungen der Permeabilitäten in den beiden Elementen und einer Differenz dazwischen aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Sensorkörper aus einem Werkstoff ist, der einen größeren thermischen Expansionskoeffizienten als das positive Magnetostriktion zeigende amorphe magnetische Legierungselement hat, und das amorphe magnetische Legierungselement bei einer Temperatur angebracht wird, die einen Temperaturbereich zum Betreiben des Drucksensors übersteigt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einreichung zum Erfassen der Permeabilität des amorphen magnetischen Legierungselements einen magnetischen Kopf oder eine Spule aufweist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine magnetische Legierungselement ein magnetostriktives amorphes magnetisches Legierungselement aufweist, das sich kontinuierlich sowohl über den Deformations als auch über den Nicht-Deformationsteil erstreckt und das an dem Deformationsteil und dem nicht-Deformationsteil befestigt ist.

4. Drucksensor nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Joch hoher Permeabilität, das an einer Außenseite der Spule angeordnet ist.

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nicht-Deformationsabschnitt darin einen hohlen Abschnitt mit demselben Durchmesser wie derjenige einer Druckkammer innerhalb des Deformationsteils hat.

6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnete daß ein Säulenkörper mit einem Radius ro die Druckeinführungsöffnung darin, den Deformationsteil mit einer Druckkammer mit einem Radius ri darin, der durch einen durch die Druckeinführungsöffnung angelegten Druck verformt wird, und den Nicht-Deformationsteil darin beinhaltet, der nicht durch den Druck verformt wird;

daß jeweils an dem Deformationsteil und dem Nicht-Deformationsteil Spulen angeordnet sind, um zusammen mit dem amorphen magnetischen Legierungselement einen magnetischen Kreis zu bilden,

wobei die Größe des angelegten Drucks aus der Differenz zwischen den von der Beaufschlagung mit dem Druck begleiteten Induktanzen der beiden Spulen bestimmt wird und wobei die Thermospannung infolge der Differenz in den thermischen Expansionskoeffizienten größer als die Spannung infolge Drucks ist, und zwar nach den folgenden Beziehungen:

mit

αa: thermischer Expansionskoeffizient der amorphen magnetischen Legierung,

αt: thermischer Expansionskoeffizient des Werkstoffs des Säulenkörpers,

Tg: Temperatur der Anhaftung des amorphen magnetischen Legierungselements an dem Säulenkörper,

Tm: Betriebstemperatur des Sensors,

ν : Poisson'sche Zahl des Werkstoffs des Säulenkörpers,

E: Young'scher Modul des Werkstoffs des Säulenkörpers und

Pi: maximaler angelegter Druck.