JP2001523348A - 磁気ひずみ応力センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 磁気ひずみ応力センサーが粒状構造を有する軟強磁性体を設けられ、少なくともその粒状の一部は１ドメイン状態と２ドメイン状態との間の遷移領域における粒子サイズを有している。フェライト体に対する１〜９μｍの程度のものであるこの粒子サイズにおいては、比較的大きい磁気ひずみ効果が生じる。実際の態様においては、強磁性体がフェライトコア、詳細にはフェライトリングにより形成され、少なくともそれの一部の周りに電気コイルが巻かれ、そのコイルはそのフェライトコア上に及ぼされる機械的圧力の影響のもとで、そのコイルの自己誘導の変化を測定するための測定回路に組み込まれている。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気ひずみ応力センサー 本発明は、軟強磁性体を設けられた磁気ひずみ応力センサーに関するものであ る。そのような強磁性体の一例は多結晶フェライトである。そのようないわゆる 多結晶フェライトは、特に固有の粒子構造により決められる磁気特性を現す。 ストレインゲージを設けられた慣習的な応力センサーは比較的高価であると言 う事実によって、強磁性材料の磁気ひずみ効果を用いる応力センサーが開発され てきた。これらの材料は、機械的圧力の付加に際して、それらがいわゆる磁気ひ ずみ効果の結果として透磁率（μ）の変化を表すと言う特性を有している。この 現象は、John Wiley & Sons発行（1986年増刷版）の「磁気の物理学(Physics of Magnetism)」内にS.Chikazumiにより非常に詳細に説明されており、第８章、及 びもっと詳細には８．４節を参照されたい。 磁気ひずみ応力センサーの記載は、本出願人により出願された特表平10-50276 7号公報に与えられている。前記の文書においては、強磁性体が少なくともそれ の一部の周りにコイルが巻かれているフェライトリングにより形成されている。 機械的応力により起されるフェライトの透磁率μの変化が自己誘導Ｌの変化した 値を必然的に伴うので、このコイルはそのコイルの自己誘導（Ｌ）を測定するた めに電気回路へ接続される。 慣習的に用いられるフェライトは、例えば、１０〜１００ｋＨｚの周波数範囲 において変圧器コイルとして実際に用いられ、且つ２０μｍより大きいか、又は ２０μｍと等しい粒子サイズＤを一般に有している。それに加えて、この粒子サ イズにおいては、透磁率が非常に高い値を現す。保磁度Ｈ_cは粒子サイズＤ、及 びそれ故に小さいエネルギー損失と反比例するので、そのような粒子サイズが比 較的低い保磁度Ｈ_cへ導く。しかしながら、この粒子サイズにおける磁気ひずみ 効果は小さいので、これに基く応力センサーの感度はむしろ制限される。 フェライトの粒子サイズの国際的に使用される定義は、1993年９月15日発行の 刊行物、J.Appl.Phys.74(6)の第4085〜4095頁の、P.J.van der Zaag c.s.による 、 「多結晶ＭｎＺｎフェライトの初期透磁率：ドメインと微小構造との影響(The i nitial permeability of polycrystalline MnZn ferrites：The influence of d omain and microstructure)」に述べられている。「平均線型捕捉値(mean linea r intercept value)」とも呼ばれる粒子サイズ（Ｄ）が、フェライトの微小構造 画像を横切る任意の線に沿った弦の平均長と一致する。粒子サイズのこの定義は 粒子の形状とは無関係である。この言葉のもっと数学的な手がかりは、Nature,v ol.155(1945),24頁に、S.I.Tomkeieffにより先に与えられていた。 磁気ひずみ応力センサーの感度を大幅に増大することが本発明の目的である。 これを達成するために、冒頭文節に記載されたような磁気ひずみ応力センサー が、本発明によると、その粒子の少なくとも一部が１ドメイン状態と２ドメイン 状態との間の遷移領域内の粒子サイズを有するような粒子構造を強磁性体が有す ることを特徴としている。これに関連して、応力なる語は単位面積当たりの力を 意味すると取られるべきである。 １ドメイン状態は粒子が一方向に完全に磁化される状態であり、この状態にお いては、そのドメインサイズ（Δ）は粒子サイズＤと一致する。２ドメイン状態 はドメイン壁が各ドメイン内に存在し、且つ双方のドメイン部分内の磁化方向が 異なる状態である。ここで、中性子減極技術によって決定されるドメインサイズ Δは、粒子サイズＤより小さい。J.Appl.Phys.内の上述した刊行物に、内部粒状 ドメイン構造が１ドメイン状態から２ドメイン状態へ変わる粒子サイズが決めら れている。遷移のこの点において、粒子サイズは（２ドメイン状態を決める）ド メイン壁エネルギーが（１ドメイン状態を決める）静磁気エネルギーとほぼ等し いようである。J.Appl.Phys.内の上述した刊行物を参照して、遷移のこの点にお ける粒子サイズＤ_cは、 として概略与えられ得て、ここでｋはボルツマン定数であり、Ｋは磁気結晶異方 性定数であり、ａは交換結合されたスピンの間の距離であり、μ₀は真空の絶対 透磁率であり、μ_rは相対透磁率であり、Ｍ_sは飽和磁化であって、且つＴ_cはキ ューリー温度である。特にＭｎＺｎ−フェライト、ＮｉＺｎ−フェライト、Ｍｇ ＭｎＺｎ−フェライト、ＬｉＮｉＺｎ−フェライトの場合には、遷移のこの点に 対する粒子サイズは１〜９μｍに広がっている。J.Appl.Phys.内の上述した論文 は、それの一部が従ってドメイン遷移領域にある、細かい粒子フェライト、特に ０．２〜１６μｍの範囲内の粒子サイズを有するフェライトは、本質的に既知で あることを示している。粒子サイズＤが１０μｍより小さいか、又は１０μｍと 等しいフェライトが、ＭＨｚ領域において用いられねばならない特殊変圧器コイ ル内に使用される。粒子サイズがそれらが１ドメイン状態から２ドメイン状態へ の遷移領域内にあるようなフェライトの制限された使用が、それらが損失／散逸 によって不安定であると言う事実に部分的に帰され得る。 発明者等は磁気ひずみ効果が最大であると見出される所は、１ドメイン状態と ２ドメイン状態との間の遷移領域に正確にあり、すなわちこの遷移領域の外側よ り５〜１２倍まで大きいことを発見した。応力センサーに対して魅力的な、ドメ イン遷移領域内に粒子サイズを有するフェライトを使用されたことがこの発見で ある。 結果として、粒子サイズがドメイン遷移領域に、すなわち用いられたフェライ ト材料に対して１〜９μｍの範囲内にあるフェライトを具えている磁気ひずみ応 力センサーは、非常に高感度になることが判明し、すなわち圧力の小さい変化が 透磁率の大幅な変化へ導く。ドメイン遷移領域内の微小構造の場合には、Ｃｏの 特定量、典型的には５原子％最大値の付加が、磁気ひずみに正の効果を有するこ とが更に見出された。 その磁気ひずみ効果が透磁率を機械的応力の変化の場合に変化させる。透磁率 のこの変化を測定するために、強磁性体が少なくともそれの一部の周りに電気コ イルが巻かれたフェライトリングにより形成され、そのリングがそのフェライト リング上に及ぼされる機械的圧力の影響のもとで、そのコイルの自己誘導の変化 を測定するための測定回路内に収容されている。変えられた機械的応力により透 磁率の変化が、既知のように、そのコイル内の変えられた自己誘導を生じる。 本発明は応力センサーに関係するのみならず、上述された種類の少なくとも１ 個の応力センサーを設けられた計量装置にも関係している。フェライト粒子構造 の特定の選択の場合に強く現れる磁気ひずみ効果ほ用いることにより、これらの 応力センサー上に及ぼされる圧力が電気信号へ直接変換され得る。比較的複雑な 機械的伝達手段が使用される慣習的な計測装置との関係において、特に全種類の 多量ばね装置において、本発明による計量装置は非常に迅速な応答を現し、且つ 多数に比較的安価に生産され得る。それに加えて、本発明による計量装置は湿っ た且つ腐食性の環境において非常に適して使用され得る。 それ故に、本発明は少なくとも一部分の周りに電気コイルが巻かれているフェ ライトリングにより形成された、強磁性体を具えている計量装置に広く関係し、 そのフェライトリングは、そのフェライトリング上に及ぼされる機械的圧力の影 響のもとで、そのコイルの自己誘導の変化を測定するための測定回路内に収容さ れている。 特定の実施例においては、その測定回路が、コイルを有するフェライトリング が中に組み込まれ、且つそのコイルの自己誘導の変化が、測定周波数の信号強度 の変化が行われたことを確証することにより測定される共振回路を具え、その測 定周波数はその共振回路の共振周波数から比較的小さい距離に置かれている。 実際の応用においては、その計量装置は測定されるべき物体用の支持物を設け られ、その支持物が多数のフェライトリングにより支持され、それらのフェライ トリングを取り囲むコイルがその共振回路内に組み込まれている。その支持物は 例えば車のような大きい物体や、例えば子供を計量するためのはかり、又は例え ば人口有機質肥料スプレッダー(artificial manure spreader)がそれを介してト ラクターの背後に置かれ、且つ有機質肥料を散布中にそれの重さの減少が確証さ れ得るスタンド、等が上に置かれ得る、例えば板により形成され得る。 計量装置はさておき、磁気ひずみ応力センサーは高感度の圧力測定を必要とす るすべての応用に対して用いられ得る。例えば、上述の特表平10-502767号公報 に、電池再充電用の装置の記載が与えられ、その中に磁気ひずみ応力センサーが 用いられている。またこの装置においては、測定感度が上述された特定の粒子構 造を有する応力センサーを用いることにより増大され得る。本発明は以下に記載 される実施例から明らかになり、且つ以下に記載される実施例を参照して解明さ れるだろう。 図において、 図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃは選択されたフェライト材料の特性を説明するために３ 個の図面を示し、 図２は本発明による計量装置用電気回路図を示し、一方 図３には、前記の計量装置の精密な電気回路図が示されている。 図１Ａにおいて、フェライト材料のドメインサイズΔと粒子サイズＤとの間の 比が描写されている。１ドメイン領域は線Ｉにより示されており、且つ２ドメイ ン領域は線IIにより示されている。ＭｎＺｎフェライトが用いられた場合には、 遷移領域はほぼ４μｍにある。図１Ｂは（磁気ひずみ効果無しの）透磁率μとそ のフェライト材料の粒子サイズＤとの間の比を示している。図１Ｃにおいては、 磁気ひずみ効果がそのフェライト材料の周りに巻かれたコイルの自己誘導の変化 で明らかになるように、磁気ひずみ効果が粒子サイズＤに対してプロットされて いる。１ドメイン領域から２ドメイン領域への遷移において、この効果は、特に 現在慣習的な粒子サイズにおいて生じる効果より非常に大きい。上述のように、 その差は５〜１２倍にも達する。ＭｎＺｎフェライトの場合においては、９倍に よるΔＬの増大が測定された。 図２及び３に、３個のフェライトコア、詳細にはフェライトリング１、２及び ３が示されており、それの各々の周りにそれぞれコイル４、５及び６が設けられ ている。それらのコイルは直列に配置され且つコンデンサ７と一緒に共振回路８ を形成している。図には示されていないけれども、それら３個のフェライトリン グ１〜３は平らな箱の底に設けられ、且つそれらが前記のフェライトリング上に 自由に載っている計測板を支持しているので、その計測板上で計測されるべき物 体の準備が、計測板の３点支持にそれらのフェライトリング上の増大した機械的 圧力を及ぼさせる。その結果としての磁気ひずみ効果はフェライトリング１〜３ の透磁率を増大させ、それはコイル４〜６の自己誘導の変化で明らかになる。尖 鋭な共振ピークを得るために、共振回路８のＱ(Quality factor)が比較的高い。 それらのフェライトリング１〜３上に及ぼされる機械的圧力変化の結果として、 それらのコイルの全体自己誘導Ｌが変化ΔＬを受け、L±ΔLとなる。その結果、 共振ピークがシフトする。共振周波数ω_rの付近に測定周波数ω_mを選ぶことによ り、共振ピークの小さいシフトがすでに共振回路８における信号強度の大幅な変 化へ導く。 図２において、共振回路の両端間に周波数ω_mの電圧を供給する電源が、参照 符号９により示されている。この共振回路８の出力信号は、整流ダイオード１０ 及び平滑コンデンサ１１を介して、加減抵抗１２を横切って、電流計１３へ供給 される。その加減抵抗１２によって、電流計１３の所望の感度が固定され得る。 図３に示されたもっと詳細な電気回路図は、共振回路の両端間に周波数ω_mの 電圧を供給する電源の一実施例を描写している。図示されない、変圧器から引き 出された標準５０Ｈｚの交流電流が、直流電流へ整流ダイオード１５及び平滑コ ンデンサ１６によって変換される。所望の周波数ω_mの交流電圧が自己発振回路 １７により、ここから引き出される。変圧器１８を介して、この周波数が共振回 路８の両端間へ加えられる。 フェライトが非負荷状態にある場合に、共振回路の出力信号が電流計１３にお いて零へ設定され得ることを保証するために、変圧器１８からの電圧が、電流計 １３へ、加減抵抗２１を横切って、整流ダイオード１９及び平滑コンデンサ２０ を介して印加される。点Ｂにおける電圧が点Ａにおける電圧より高いことをもま た保証するために、コンデンサ２２がこの発振回路と直列に配置されている。 図示された回路図の実施例に対する全部の種類の変形が可能であることは明ら かだろう。外部交流電流源を有する同調回路の代りに、自己発信回路を使用する ことも可能である。詳細には、図３に示された略図の自己発振回路２３が、変圧 器のコアの代りに、それの一次巻線がフェライトの周りに巻かれたコイルとして 用いられると言う差によって、この目的のために用いられ得る。勿論、その時こ の自己発振回路の両端間に印加される電圧は、図２又は３に示された回路のよう な、整流回路及び測定回路へ供給されねばならない。 ３個のフェライトコアすなわちリングがここに用いられた例に存在するけれど も、１個又は複数個のフェライトコアすなわちリングが用いられるかどうかは、 応用に依存する。異なるサイズと構成との双方又はいずれか一方のフェライトコ アを用いることもまた可能である。例えば、ポリマーカバーを有するフェライト コア、又はフェライトポリマー構成を有するコアが用いられ得る。 測定回路の代りの実施例においては、周波数差を電圧差へ変換するための既知 の変換器が用いられ得て、これらの変換器は集積回路（ＩＣ）として商業的に入 手できる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．軟強磁性体を設けられている磁気ひずみ応力センサーにおいて、 前記強磁性体が、粒子の少なくとも一部が１ドメイン状態と２ドメイン状態 との間の遷移領域内の粒子サイズを有していることを特徴とする磁気ひずみ応 力センサー。 ２．請求項１記載の磁気ひずみ応力センサーにおいて、前記強磁性体がフェライ ト体を具えていることを特徴とする磁気ひずみ応力センサー。 ３．請求項２記載の磁気ひずみ応力センサーにおいて、前記フェライト体が１〜 ９μｍの間の範囲内の粒子サイズを有していることを特徴とする磁気ひずみ応 力センサー。 ４．請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気ひずみ応力センサーにおいて、前記 強磁性体が３〜９μｍの範囲内の粒子サイズを有するＭｎＺｎフェライトによ り形成されていることを特徴とする磁気ひずみ応力センサー。 ５．請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気ひずみ応力センサーにおいて、前記 強磁性体が１〜５μｍの範囲内の粒子サイズを有するＮｉＺｎ−フェライト、 ＭｇＭｎＺｎ−フェライト又はＬｉＮｉＺｎ−フェライトにより形成されてい ることを特徴とする磁気ひずみ応力センサー。 ６．請求項２〜５のいずれか１項記載の磁気ひずみ応力センサーにおいて、比較 的小さいパーセントのＣｏが前記強磁性体の構成へ加えられていることを特徴 とする磁気ひずみ応力センサー。 ７．請求項１〜６のいずれか１項記載の磁気ひずみ応力センサーにおいて、前記 強磁性体がフェライトコア、詳細にはフェライトリングにより形成され、該フ ェライトリングの少なくとも一部の周りに電気コイルが巻かれ、前記フェライ トリング上に及ぼされる機械的圧力の影響のもとで前記コイルの自己誘導の変 化を測定するための測定回路内に、前記電気コイルが収容されていることを特 徴とする磁気ひずみ応力センサー。 ８．請求項１〜７のいずれか１項に記載された少なくとも１個の応力センサーを 設けられた計量装置。 ９．フェライトコア、詳細にはフェライトリングにより形成された軟強磁性体を 設けられた計量装置であって、前記フェライトリングの少なくとも一部の周り に電気コイルが巻かれ、前記フェライトリング上に及ぼされる機械的圧力の影 響のもとで、前記コイルの自己誘導の変化を測定する回路内に、前記電気コイ ルが収容されていることを特徴とする計量装置。 １０．請求項８又は９記載の計量装置において、前記測定回路が、前記コイルを 有するフェライトリングが組み込まれ、且つ前記コイルの自己誘導の変化が、 測定周波数の信号強度の変化が生じたことを確証することにより測定される共 振回路を具え、前記測定周波数は前記共振回路の共振周波数から比較的小さい 距離に置かれていることを特徴とする計量装置。 １１．請求項１０記載の計量装置において、該計量装置が測定されるべき物体用 の支持物を設けられ、該支持物はフェライトリングを取り囲むコイルが前記共 振回路内に組み込まれている多数の前記フェライトリングにより支持されてい ることを特徴とする計量装置。