JP2004523763A

JP2004523763A - 応力センサ

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Publication number: JP2004523763A
Application number: JP2002575597A
Authority: JP
Inventors: ジョージジリトムカ; ジョナサンジョフリーゴアー; マークグレゴリーメイリン; ジェイムスカールミルン
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: EP1370841A1; GB0107182D0; JP4174323B2; DE60202447T2; GB2390433A; CA2441268A1; TW509783B; EP1370841B1; WO2002077591A1; US20040103725A1; US6910384B2; GB0322168D0; DE60202447D1; GB2390433B; AU2002241136B2; ATE286260T1

Abstract

応力又は磁界センサであって、該センサは、全体的に細長いアモルファス軟磁性又はナノ結晶の電気抵抗素子と、該素子にバイアス磁界を印加するバイアス手段とを備え、センサの長さに沿って配向される該磁界の成分は、素子に沿って振幅が変化するパターンを有する。周期的に変化するパターンは、外部周囲磁界に対する応力センサの感度を低下させる効果を有する（図３は、鋸歯状バイアス磁界を使用すると周囲磁界が存在する状態では、センサの感知部分が位置ｂへ移動するが、該感知部分の数は同じままであることを示している）。傾斜バイアス磁界により、センサの感知領域の部分が制御可能になり、局所的な応力を測定し、又は外部磁界をマッピングする。センサが有効である領域の制御は、センサの長さ部分を選択的に導電性コートすることを含むことができる。この応力センサの潜在的用途としては、車両タイヤ、航空機の翼、又は機械部品のような運動している部品内に埋め込まれるか（ＲＦ通信を使用する）、或いは漂遊磁界が問題となる橋梁のような構造物内に埋め込まれる圧力センサが含まれる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気応力インピーダンスセンサを用いた応力の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来知られている多数の応力測定方法の中で、多くの用途にとって理想である低コストで、非常に堅牢で、高感度である全ての要件を満足するものは少ないか、或いは皆無である。運動している部分内で応力を測定することが要求される場合にも、更に制約が生じる可能性がある。
【０００３】
例えばアモルファス負磁歪み又はナノ結晶のメルトスパンワイヤ及びリボンの形態を有する軟磁性材料を使用した、巨大磁気インピーダンス（ＧＭＩ）効果に基づく高感度センサが開発された。
【０００４】
磁気的に軟質（通常はアモルファス又はナノ結晶）の比抵抗をもつ導電体（例えば、ワイヤ、リボン、又は繊維）に駆動交流電流が通電されたとき、これによって生じる交流電圧は、外部磁界の存在又は印加に対して高感度であり、特に駆動電流周波数が１００ＫＨｚより大きい場合には、この効果は巨大磁気インピーダンス（ＧＭＩ）効果として知られている。この電圧における変化は、導電体の表皮深さが透磁率に対して依存する結果として理解されている。ＧＭＩ効果の説明は、ＰａｎｉｎａａｎｄＭｏｈｒｉＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６５（１９９４）１１８９及びＢｅａｃｈａｎｄＢｅｒｋｏｗｉｔｚＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（１９９４）３６５２により、１９９４年に同時に紹介された。
【０００５】
ＧＭＩ効果は長いワイヤ又はリボン内で生じることができるので、本出願人の同時係属中の１９９８年７月９日に出願された英国特許出願ＧＢ９８１４８４８．９、及び関連の国際特許出願ＷＯ９９／０１９６７、欧州特許出願９９９２６６５３．９に記載されているような、適切なハードウエアを用いることによってワイヤ又はリボンの経路に沿った積分された磁界を検知することができる。測定しようとする外部磁界は、一時的には不変とすることができるが、時間とともに変動する場合には、交流インピーダンスがこれに対応する変動を示すようになることが予測される。
【０００６】
上述の特許出願において強調されていることは、均一なバイアス磁界（例えば前記出願の図６参照）を印加することによりＧＭＩ材料の長さに沿った、測定しようとする外部磁界の積分を可能にすることである。これに対して、以下で述べるように、本発明のセンサにおいては、意図的に不均一なバイアス磁界がＧＭＩ材料に印加される。この効果は、センサの長さに沿った磁界の成分に依存しており、バイアス磁界の不均一性は、センサの長手方向軸に沿って測定された時の振幅の不均一性に対応していなければならないことが理解されよう。
【０００７】
更に、このような材料における逆磁気歪み効果のために、強い表皮効果は、加えられる応力Ｓに応じて感知素子（比抵抗導電体）のインピーダンスを変化させる。この効果は、巨大応力インピーダンス（ＧＳＩ）効果と呼ばれる。インピーダンス変化の物理的メカニズムは、例えば従来の歪み計を使用した場合に生じるような応力テンソルの直交成分間のクロストーク問題を実質的に回避すると考えられる。
【０００８】
ＧＭＩ及びＧＳＩセンサにとっての最適な駆動周波数、すなわち印加される交流電流の周波数は、ＭＨｚ領域内にあることが分かっており、このＭＨｚ領域は、例えばＲＦパッシブ・タグシステムとのインターフェースが単純であるため、ＲＦ（無線周波数）通信システムへの統合を比較的容易に可能にする。同様に、これは運動している部材内の応力又はこれに関連する因子の遠隔感知を容易にする。このようなセンサは良好な動作を行うために通常数マイクロワット程の低電力しか必要としないことも分かっていることから、外部リード線又は他の取り付け部品無しに遠隔測定を行うために、例えばプラスチック又は弾性材料から成るマトリックス内にセンサ素子を配置することができる。
【０００９】
ＲＦシステムは、センサ素子におけるインピーダンス変化を感知する任意の公知のシステムとすることができる。例えばワイヤは、センサ素子のインピーダンスが変わるにつれてその共振周波数が変化する共振回路の一部を形成することができる。或いは、センサ素子を平衡ブリッジ回路に組み込み、周波数変調された出力ＲＦ信号を発生させることもできる。
【００１０】
更にＲＦシステムは、国際特許公開ＷＯ００／５７１４７の国際特許出願ＰＣＴ／ＳＥ００／００４７６（Ｔｙｒｅｎ他）に記載されているように、それ自体がセンサ及びアンテナとすることができる単なるワイヤ自体であってもよい。このセンサにおいては、ＧＭＩ／ＧＳＩ材料内の磁気モーメントと相互作用する一時的変動ＲＦ磁界（センサが磁気的に駆動される場合には磁気正弦波バイアス磁界と呼ばれる）が、センサのための磁気励起として使用されると共に、戻り励起信号における変動をワイヤの交流インピーダンスを示すものとして、従ってワイヤ内の応力を示すものとして測定することができる通信媒体としても使用される。本発明は、ＧＭＩ又はＧＳＩ素子内のインピーダンス変動を感知する幾つかの手段を必要とし、これは任意の手段又は上述の手段によって行うこともできるが、本発明は、主にセンサに沿って変動するバイアス磁界を提供することに関する。以下に説明するように、このようなバイアス磁界は、センサ領域の感度を位置に応じて増減させる。
【００１１】
図１は、１０ｃｍ長さの（Ｃｏ_0.94Ｆｅ_0.06）_72.5Ｓｉ_12.5Ｂ₁₅（直径１２５μｍ）から成るセンサワイヤ素子の複素インピーダンスＺ（リアクタンスＸとインピーダンスＲから成る）が、印加される磁界Ｈに応じてどのように変化するかを概略的に示しており、有限磁界が存在する場合は常にインピーダンスの極めて著しい増加があることが分かる。また、この応答は素子に沿った磁界の方向とは関係なく、最大感度領域（磁界に応じたインピーダンスの変化率）はゼロ磁界位置に関係しており、磁界が増大するにつれて感度が低下することが分かるであろう。しかしながら、正確にはこのようなセンサは、応力測定環境において通常存在する漂遊磁界を含む磁界に対して非常に敏感であることから、該センサの応用はこれまで限られており、若しくは実用的ではなかった。
【００１２】
この点は図２に示されており、これは正確な組成が未知であるコバルトベースのアモルファスリボンの長さ２０ｍｍ、幅１ｍｍ、厚さ２０μｍの形態を有するＧＳＩ素子の、様々なレベルの応力を加えた場合のインピーダンス特性変動を概略的に示している。特に印加される磁界が低レベルの場合には、加えられる応力レベルによりインピーダンスが顕著な影響を受けることが理解されるであろうが、印加される磁界の変動もインピーダンスに大きな影響を及ぼし、従ってこのようなセンサによる応力測定を信頼性のないものにすることも分かるであろう。ワイヤの長さに平行な磁界成分全体を磁界と呼ぶ点に留意されたい。ワイヤに対して垂直な磁界成分の影響は、該方向における大きな消磁効果のため無視する傾向にある。
【００１３】
【特許文献１】
英国特許出願ＧＢ９８１４８４８．９
【特許文献２】
国際特許公開ＷＯ００／５７１４７
【非特許文献１】
ＰａｎｉｎａａｎｄＭｏｈｒｉＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６５（１９９４）１１８９
【非特許文献２】
ＢｅａｃｈａｎｄＢｅｒｋｏｗｉｔｚＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（１９９４）３６５２
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、全体的に細長いアモルファス軟磁性又はナノ結晶の電気抵抗素子と、該素子にバイアス磁界を印加するバイアス手段とを備えるセンサであって、該センサの長さに沿って配向される前記磁界成分が、素子に沿って空間的に変動する振幅パターンを有するセンサを提供する。通常このセンサ素子は、アモルファス又はナノ結晶の金属又は合金からなるであろう。本発明は、感知デバイス、感知装置、磁界に対する応力センサ素子のインピーダンス感度を低下させる方法、及び物内の応力を測定する方法に及ぶ。
【００１５】
本発明の一実施形態においては、バイアス磁界が、センサの応答に対する外部周囲磁界の影響を低減するように配置される。このような場合、センサ素子にバイアス磁界を印加する効果は、ＧＭＩ／ＧＳＩ応答を平均化して、磁界に対して平坦な又はより平坦な無感応応答を与えることである。いかなる理論にも制限されることは望まないが、このことは図３に概略的に示されており、この図において、素子に沿って鋸歯形に変動する振幅を有する、素子に沿ったバイアス磁界に対して有効磁界Ｈがセンサの長さＬに沿って示されている。他にどのような磁界も存在しない場合には、鋸歯形は破線で示すようにゼロ磁界線Ｈ₀の周りで対称的に位置付けられており、センサの感知位置ａは、破線がゼロ磁界線Ｈ₀と交差する度に存在する。素子に沿って配向される別の周囲磁界が存在する場合には、鋸歯形は点線で示すようにオフセットして、感知位置はセンサに沿って位置ｂへオフセットする。しかしながら、感知位置の数は同じままであり、従ってセンサの応答は、鋸歯形バイアスが存在しない場合と比較して、周囲磁界の存在に対して無感応である。このような構成は、応力を測定するために使用することができる。
【００１６】
応力並びに漂遊磁界に対するインピーダンス応答が無感応になる程にバイアスが強くならないように配慮すべきであり、これに関して、センサ素子に印加されるバイアス磁界の形状及び強度を制御することにより、応力感度及び磁界感度を制御可能であることが見出された。バイアス磁界の最適形状は、応答の直線性に対する要求、制御される応用用途における漂遊磁界の予想される大きさ、及び磁界Ｈと応力Ｓとに対するインピーダンスＺの従属関係の様態によって決まることになる。
【００１７】
センサの感知位置は外部周囲磁界によって変動するが、感知領域の数は一定のままである上述の構成において、感知領域の正確な位置は重要ではない傾向がある。しかしながら、他の実施形態においては、バイアス磁界は、センサの１つ又はそれ以上の感知位置の位置決めを制御するように構成される。これは図４に概略的に示されており、ここでは素子に沿って測定されたバイアス磁界１の振幅は、センサの長さＬに沿って傾斜して、単一の感知位置ｃを与えている。外部周囲磁界が何ら存在しない場合には、バイアス磁界の直流成分を感知位置ｃが移動するように変化させて、これにより応力を位置ｃにおいて局所的に測定できるようにする。或いは、図示のような対称的なバイアス磁界を用いる場合には、位置ｃは任意の外部周囲磁界の大きさを表す。後述するように、これは周囲磁界を検知又はマッピングする方法へと発展させることができる。バイアス磁界のパターンが、２つ又はそれ以上の感知位置を同時に与えるようにしてもよいことは明らかである。
【００１８】
センサの好ましい一実施形態においては、バイアス磁界の軸方向成分の振幅（パターン）は、素子に沿って周期的に変動する。１つの好ましい変動は正弦波であるが、鋸歯形（単一又は二重傾斜）パターン及びステップ状パターン、又はこれらに近似したものを含む別の変動も適切なものとして使用することができる。
【００１９】
ゼロ外部磁界において、正弦波パターンは、直線的パターン（すなわち傾斜、鋸歯形状、又は三角形状）よりもセンサ素子の比較的多くの部分を高度にバイアスされた状態（Ａに近い）にする。
【００２０】
これは、正弦波状にバイアスされるシステムに対し外部逆磁界（素子に沿って−Ａに近づく）が印加される場合、正味ゼロ磁界付近（高感度状態）のセンサ素子の総量は、直線状バイアス磁界が使用される場合よりも、正弦波状バイアス磁界に対してより高くなり、その結果、正弦波状バイアス磁界の場合には、直線状バイアス磁界の場合に得られるであろうより平坦な応答ではなく、外部磁界に対する応答にピークを生じるようになることを意味している。
【００２１】
これは、Ａ付近の正味磁界においてＧＭＩ応答が小さいか、又は比較的平坦な場合にのみいえることであり、より複雑な高い磁界応答の場合には、より複雑なバイアスが要求され且つ好ましい。
【００２２】
本発明の別の実施形態においては、バイアス磁界は周期的では無い。例えば、直線状又は非直線状の傾斜の形をとることができる。
【００２３】
バイアス磁界（又は少なくとも前述のパターン）を予め定めておき、時間的に不変のものとすることができる。例えば、上述の正弦波状磁界パターンは、センサ素子に隣接して配置され、且つほぼ同じ長さを有する磁気を帯びた可撓性マット、例えばゴムのマットによって印加することができる。磁界パターンは、特別に設計された着磁装置の使用により変えることができる。一実施形態においては、マットにはＳｍＣｏベースの磁性体フィラーが充填されたが、これはこの磁性体フィラーのキュリー温度が、比較的高い温度条件下でのセンサの作動を可能にするためである。別の実施形態は、このような高い温度が要求されない場合には、より安価なＮｂＦｅＢベースの磁性体フィラーを利用する。
【００２４】
固定バイアス磁界を印加する別の方法としては、磁性材料又は超伝導材料、磁気コーティング又はコア、及びソレノイドシステムの使用を含む。バイアス磁界を印加するための他の方法は、感知素子の固有の磁気特性を利用することである。例えば、アモルファス又はナノ結晶ワイヤのコアには、この素子に沿って振幅変化する固有のバイアス磁界を提供できるワイヤの外殻とは異なるドメインがある。このような材料の一実施例は、Ｆｅ_69.5Ｃｒ₄Ｓｉ_7.5Ｂ₁₅であり、図５はこれに関係した図である。
【００２５】
しかしながら、パターンを変えることのできるバイアス磁界を印加することも可能である。例えば、パターンは、振幅を変える（例えば、掃引）（つまり、パターン形状は保持されるが、大きさが変えられる−時的変化）、及び／又はセンサ素子に沿った位置を変える（空間的変化）固定関数形式（例えば、正弦波、鋸歯形、など）とすることができる。或いは、又はこれに加えて、パターン自体を変えることも可能であり、すなわち、単に素子に沿った位置を変えることによってではなく、パターン内を変えてもよい。このような変化は、実際の形状の変動、及び／又は振幅の平均レベルの変化、つまり空間的に一定のバイアスオフセットを加えること（例えば図４の磁界に空間的に一定のバイアスを加えることは、センサ素子に沿った感知位置ｃを移動させることを可能にすることになる）を含む。
【００２６】
バイアス磁界パターンの変化は、例えばソレノイドの適切な使用によって達成することができる。バイアスパターン内の変更を用いて、センサ素子に沿った（磁界又は）応力成分の分解能を助長することができる。上述のように、傾斜したバイアスパターンを使用する場合には、空間的に一定のバイアスパターンを加えることにより、感知位置を移動させることができる。同様な効果は、素子に沿って存在するパターンを掃引することによっても得ることができ、他方、バイアスパターンの傾斜すなわちスロープの振幅を変えることは、感知位置の長さを制御することになる。バイアス磁界のどのような変化の速度も、通常は測定速度と比べて低くする必要があることが理解されるであろう（前記Ｔｙｒｅｎ特許参照、該特許の場合は、印加される磁界が、測定速度よりも非常に大きな速度で変化する）。
【００２７】
更に、より高導電性のコーティングでセンサ素子の領域を選択的にコートすることにより、この領域は効果的に短絡されて（使用された周波数の表面電流だけである）、センサの動作を大きく低下させるか、或いは無視できるようにする。これは、コートされていない領域に存在する応力Ｓ（又はＧＭＩセンサの磁界Ｈ）のみが信号積分内に含まれ、これによりバイアス磁界の成分を含む一定の望ましくない局所磁界の効果を必要に応じて遮蔽可能にすることを意味する。
【００２８】
上述の考察から、センサを適切に構成及び／又は制御することにより、センサの長さに沿った１つ又はそれ以上の限定された位置において、応力又は磁界を測定可能であることは明らかであろう。この１つ又は複数の位置は、例えばパターンが形成された導電性コーティングのような設計上の特徴により予め定めるか、或いは、例えば印加されるバイアス磁界の変化により制御することができる。幾つかの個別の素子又はセンサを互いにハンダ付けする難しさ及び費用を排除することが望ましい場合には、このような特性は有用である。
【００２９】
感知素子の材料は、例えばＣｏ_72.5Ｓｉ_12.5Ｂ₁₅のようなコバルト含有量の高いアモルファス合金とすることができる。微量のマンガン、鉄、炭素、ニオビウム、ニッケル、銅、モリブデン、及びクロムを含有した他の合金を使用してもよい。他の組成としては、Ｆｅ₈₁Ｂ_13.5Ｓｉ_3.5Ｃ₂、Ｆｅ_4.9Ｃｏ_71.8Ｎｂ_0.8Ｓｉ_7.5Ｂ₁₅、Ｃｏ₈₀Ｂ₂₀、Ｆｅ_77.5Ｓｉ_7.5Ｂ₁₅、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀、Ｆｅ_69.5Ｃｒ₄Ｓｉ_7.5Ｂ₁₅、（Ｃｏ_0.94Ｆｅ_0.06）_72.5Ｓｉ_12.5Ｂ₁₅、及びＦｅ_73.5Ｃｕ₁Ｓｉ_13.5Ｂ₉が含まれる。コバルト含有量の高いアモルファス又はナノ結晶合金は、典型的には１乃至４ＧＰａという極めて高い最大引張力値を有し、これは、堅牢なセンサが要求される場合の使用に非常に好適であることを意味する。また、これらの合金は、コバルト含有量の高いリボンについては、典型的には約１００ＧＰａの高い弾性係数を有する。更にこれらの合金は、高い耐腐食性を有する。
【００３０】
更に、ＣｏＳｉＢワイヤに関する測定は、センサ素子が少なくとも２０℃から１５０℃の範囲内の温度における変化に対してほぼ無感応であり、このことは非常に高温になりがちな環境内でのこれらのセンサ素子の使用が好適であることを示している。これは、とりわけ車両タイヤの応力を測定する場合であることが理解されるであろう。
【００３１】
センサ素子は、ワイヤ、リボン、又は例えばメルトスパンにより製造される繊維の形態とすることができる。ワイヤ及びリボンは、典型的には厚さ１０乃至１２５ミクロン（最小寸法）である。製造に際し、急冷は通常メルトスパンプロセスの結果として生じ、これから生じる残留応力は、磁気歪みと結合してドメイン回転を妨げ、その結果ＧＭＩ／ＧＳＩ効果を低減する。従って、例えばファーネスアニール、パルス電流アニール、又は直流電流アニールにより、急冷された製品をアニールしてセンサの感度を高めることが好ましい。
【００３２】
センサは、単一のセンサ素子を含むことができる。例えばリボン、ワイヤ、又は大きな（細長い）繊維の形態を有する１つのセンサ素子を含むこのようなセンサを、比較的電気絶縁性のある支持マトリックス内に埋め込むことができ、このような場合、センサは、マトリックスに加えられる応力又はマトリックスを介して伝達される応力に応答するようになる。例証として、センサ素子の結合は、誘導性結合、容量性結合、又は埋め込まれた導電体を介する結合とすることができる。
【００３３】
典型的な実施例は、使用中の車両タイヤに加わる応力を感知するためにタイヤ内に埋め込まれるリボン又はワイヤを含むであろう。タイヤの接地面は、有効な摩擦力がトラションに必要な下限値に近づいた時、これを瞬時に感知できることが望ましい区域であるということが一般に認識されている。接地力に応答する車両の動的挙動モデルと結合された、地面に近いタイヤの応力−歪み力学の情報は、初期滑り及びハイドロプレーニングのような路面特性の変化に関係する危険の殆ど瞬間的な検出をもたらし、更にタイヤ磨耗に関する情報を提供することができることになる。そのような用途のためのＳＡＷセンサは、欧州特許出願９９１１４４５０．２で提案された。しかしながら、ゴム／スチールマトリックスの弾性特性は、音波伝搬に大きな影響を有しており、そのような感知を実際に用いることを困難にしている。
【００３４】
或いは、センサは、例えば個別のワイヤ又はリボンの形態で、又は繊維として複数のセンサ素子を含むことができる。素子が十分に大きい場合には、例えば２本又はそれ以上のリボン又はワイヤを直列に結合して１つの大きなセンサ素子を形成するような、これらの素子を所望に応じて互いに結合することができる。このような結合は、直接的な電気的接触又はその間で非磁性ワイヤを用いて結合するような、任意の適切な手段によって行うことができる。この場合も又、所望であれば、センサ素子は比較的電気絶縁性の支持マトリックス内に埋め込むことができる。
【００３５】
センサ素子が、例えば比較的短い繊維のような比較的小さい場合には、これらを比較的電気絶縁性の支持マトリックス内で支持することが好ましいであろう。素子間に直接的な接触が全くない場合には、センサの特性は全体としてマトリックスによって決まり、バイアス手段がマトリックス全体にバイアス磁界を印加するように構成することができる。個々の素子は、好ましい軸線に沿ってある程度整列していることが好ましいが、整列が実質的に不規則である場合であっても、マトリックスは１つのセンサ素子として働くべきである。配列は、例えばマトリックス材料の押出しプロセスによってもたらされる優先配向、又は磁界印加のような任意の公知の手段によって達成することができる。このような繊維は、支持する複合材料の機械的強度を増大させるという点で付加的な利点を有することができる。
【００３６】
センサ素子がマトリックス内に埋め込まれるか、又はマトリックスを含む場合、このための典型的なマトリックス材料は、プラスチック（合成樹脂）及びゴムである。一般にこれらのタイプのマトリックス材料は電気絶縁性を有する。
【００３７】
それにも拘わらず、ある程度の導電性を有するマトリックス材料であって、該導電性が、使用される電気的周波数において磁気センサ素子の導電性よりも十分に小さい場合には、このマトリックス材料を使用することができる。例えば微粒子状の導電性材料で適切に充填することにより、絶縁性マトリックス材料に導電性を付与することができる。このような場合には、ＧＳＩ効果によって埋め込まれた繊維／ワイヤ／リボンのインピーダンスが変わることになるが、その結果ＧＳＩ効果は感知されるマトリックス全体としてのインピーダンスを変えることになる。
【００３８】
変位を測定可能にするために、磁気センサにおいて変化する磁界を使用する幾つかの実施例がある。一実施例は、米国特許第４，１１９，９１１号（Ｊｏｈｎｓｏｎ）に開示されており、該特許においては、パーマロイセンサを用いて、磁石が動く時の磁界の変化を測定して、該磁石の運動を検知している。パーマロイは常態では軟質のアモルファス又はナノ結晶材料ではなく、ＧＭＩ効果もＧＳＩ効果も示さない。本発明は、変化するバイアス磁界を印加して、アモルファス又はナノ結晶のＧＭＩ及びＧＳＩ材料の固有特性を変える用途に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明の更なる特徴又は及び利点は、特許請求の範囲を考察することによって、又添付図面を参照しながら本発明の例示的な実施形態に関する以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。
【００４０】
図５は、外部から印加されるバイアス磁界が無い場合には、応答が磁界に対して比較的無感応であることを示している。また、本図は又、７１．２ＭＰａ付近のほぼ等しい応力増分に対してその微分応答は漸次的に低下するから、グラフ線Ｄ及びＥで示された応答間には非常に小さな差しかないことを示している。グラフ線Ａ０及びＡ１は、それぞれ他の測定の前と後でとられた測定値を表している。
【００４１】
ＮｄＦｅＢ磁粉で充填したゴムマットをマルチターンシリンダへ巻きとり、ハースト着磁システムからの直径の均一な磁界パルスに曝して、マットMをまっすぐに延ばして、マットの長さＬ（幅Ｗ）に沿った磁力分布（磁界分布）を生成した。ＮｄＦｅＢはネオジウム−鉄−ボロンであって、ＳｍＣｏと同様の永久磁性材料である。結果として生じた磁界分布Fが、２巻シリンダに関して図６にて矢印で、すなわち４磁極ピッチ、長さ２５ｍｍのマットに沿って概略的に示されている。マットの長さは、一般にこのマットが共に使用される抵抗素子の長さと実質的に一致するように選択され、数ミクロンから数メートルまでの任意とすることができ、応力の点測定又は全体測定を可能にしている。
【００４２】
まっすぐに延ばされたＮｄＦｅＢ充填ゴムマットが、長さ２０ｍｍのＦｅＣｏＳｉＢアモルファスリボンに隣接して載置され、本発明によるセンサを作り、図７は、外部から印加される磁界の関数として様々な応力レベルにおけるインピーダンスを概略的に示している。水平グラフ線の各々は、１つの応力レベルに関するものである。バイアスマットの存在は、加えられる応力に応じて変わるが、外部から印加される磁界のレベルには実質的に左右されない特性をもたらすことが分かるであろう。
【００４３】
車両タイヤにおける応力の測定を特に参照したが、本発明のセンサには、可動部品を含む航空機の翼及び機械部品における応力測定、及び走行する車輌により磁界が生じる橋梁のような漂遊磁界が問題を引き起こす構造物における応力レベルの監視における応力の測定を含む、他の用途もあることが理解されるであろう。例えばタイヤ内で使用される圧力変換器も、このようなセンサに含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（Ｃｏ_0.94Ｆｅ_0.06）_72.5Ｓｉ_12.5Ｂ₁₅のワイヤ（長さ１０ｃｍ、直径１２５μｍ）の形態を有するＧＳＩ素子のインピーダンスにおける特性変化を概略的に示す図である。
【図２】正確な組成が未知であるコバルトベースのアモルファスリボンの、長さ２０ｍｍ、幅１ｍｍ、厚さ２０μｍの形態を有するＧＳＩ素子のインピーダンスにおける特性変化を概略的に示す図である。
【図３】鋸歯状バイアス磁界の感度低下効果を概略的に示す図である。
【図４】センサが敏感性を有する位置を制御するために傾斜バイアス磁界の使用を概略的に示す図である。
【図５】幅１ｍｍ、厚さ２０μｍのＦｅ_69.5Ｃｒ₄Ｓｉ_7.5Ｂ₁₅で作られた長さ２０ｍｍのリボンに関するインピーダンス応答を示す図である。
【図６】本発明において使用するためのバイアス素子の一形態の長さに沿った磁界分布を概略的に示す図である。
【図７】異なる印加応力レベルについて印加された磁界に応じたインピーダンスレベルのグラフの形式で本発明の一実施形態によって得られた結果を示す図である。

Claims

全体的に細長いアモルファス軟磁性又はナノ結晶の電気抵抗素子と、該素子にバイアス磁界を印加するバイアス手段とを備えるセンサであって、前記素子に沿って配向される前記磁界の成分が、前記素子に沿って空間的に変化する振幅パターンを有するセンサ。
前記パターンが予め定められていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記バイアス手段が、前記パターン内で変化を生じるように制御可能であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記変化が、前記パターンの振幅における変化であることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
前記変化が、前記素子の長さに対する前記パターンの位置における変化であることを特徴とする請求項３又は４に記載のセンサ。
前記変化が、パターン自体の変化であることを特徴とする請求項３又は４に記載のセンサ。
前記振幅変化が周期的であることを特徴とする先出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
前記パターンが、実質的に直線的な立ち上がり及び／又は立ち下がりの傾斜又はその近似を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のセンサ。
前記素子が、該素子の長さに沿って比較的高導電性の材料でコートされた部分を有することを特徴とする先出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
前記素子が、ワイヤ、リボン、又は繊維の形態であることを特徴とする先出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
前記素子がメルトスパンされることを特徴とする先出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
前記素子が、メルトスパンされた後にアニールされることを特徴とする先出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
前記素子が、小さな負の磁気歪みを示すことを特徴とする先出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
前記素子が、小さな正の磁気歪みを示すことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１つに記載のセンサ。
前記素子が、コバルト含有量の高い合金で形成されることを特徴とする先出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
前記素子が、１つのマトリックス内に埋め込まれることを特徴とする先出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
複数の前記素子が、１つのマトリックス内に埋め込まれる
ことを特徴とする先出の請求項のいずれか１つに記載のセンサ。
前記マトリックスが、電気絶縁性を有することを特徴とする請求項１６又は１７に記載のセンサ。
先出の請求項のいずれかに記載のセンサと、素子に交流電流を供給する電流供給手段とを備える感知デバイス。
前記交流電流の周波数が、無線周波数範囲内にあることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
前記交流電流の周波数が、少なくとも１００ＫＨｚであることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
前記交流電流の周波数が、少なくとも１ＭＨｚであることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
前記電流供給手段が、センサ素子に直接結合されることを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれかに記載の装置。
前記電流供給手段が、誘導性結合、容量性結合、又はＲＦ結合等により前記素子に間接的に結合されることを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれか１つに記載の装置。
請求項１９乃至２４のいずれか１つに記載の装置と、交流電流により前記素子内で発生する交流電圧を測定する測定手段とを含む感知装置。
前記素子が、共振回路の一部を形成することを特徴とする請求項２５に記載の装置。
前記素子が、ブリッジ回路の一部を形成することを特徴とする請求項２５に記載の構成。
全体的に細長いアモルファス軟磁性又はナノ結晶応力センサ素子の外部磁界に対するインピーダンス感度を低下させる方法であって、該方法がセンサ素子に沿ってバイアス磁界を印加することを含み、前記センサの長さに沿って配向される前記磁界の成分が、前記素子に沿って空間的に変化する振幅パターンを有する方法。
全体的に細長いアモルファス軟磁性又はナノ結晶応力センサ素子を含む応力センサを固定し、前記素子に交流電流を供給して、前記素子のインピーダンスを測定することによって対象物内の応力を測定する方法であって、前記素子に沿った位置に応じて変化する振幅を有するバイアス磁界の成分が、前記センサの長さに沿って配向されて、外部磁界に対する前記素子の感度を低下させるように前記素子に沿って空間的に変化する振幅パターンを有する方法。
前記パターンが予め定められていることを特徴とする請求項２８又は２９に記載の方法。
前記パターンが変えられることを特徴とする請求項２８又は２９に記載の方法。
前記パターンの大きさが変えられることを特徴とする請求項２８又は２９に記載の方法。
前記素子に沿った前記パターンの位置が変えられることを特徴とする請求項３１又は３２に記載の方法。
前記対象物が、タイヤ、圧力変換器の部分、橋梁の部分、航空機の部分、又は航空機の翼の部分であることを特徴とする請求項２９に記載の方法、又は請求項２９に従属する請求項３０乃至３３のいずれか１つに記載の方法。
請求項１乃至１８のいずれか１つに記載のセンサを内部に埋め込んだタイヤ又はタイヤ内の圧力変換器。
センサ素子のインピーダンス変化を検出する検出手段を有する請求項３５に記載のタイヤを備えた車両。
前記検出手段が、車両の固定部分に固定されることを特徴とする請求項３６に記載の車両。
請求項１乃至１８のいずれか１つに記載の応力センサを固定した航空機。
センサが翼に固定されたことを特徴とする請求項３８に記載の航空機。
請求項１乃至１８のいずれか１つに記載の応力センサを固定した橋梁。
請求項１乃至１５のいずれか１つに記載のセンサをマトリックス内に埋め込み、
該センサのインピーダンスを測定する、
可撓性のマトリックス材料に加えられる応力を感知する方法。
前記マトリックス材料がタイヤのカーカスであることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
添付図面の図６及び図７を参照しながら実質的に本明細書で説明されたセンサ素子。