JP2005345264A

JP2005345264A - 力学量センサーユニットおよび力学量センサー

Info

Publication number: JP2005345264A
Application number: JP2004165404A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Wakiwaka; 若弘之脇; Takao Sawa; 孝雄沢; Tetsuo Inoue; 上哲夫井
Original assignee: Shinshu University NUC; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Shinshu University NUC; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: JP4462611B2

Abstract

【課題】高感度かつリニアリティに優れ、更にヒステリシスが極めて小さく、温度特性に優れた力学量センサーユニットを提供する。このユニットを２次元的に配置することによって、高感度、高分解能の２次元的分布状態を検知可能な力学量センサーが提供される。
【解決手段】アモルファス合金薄帯と、前記アモルファス合金薄帯に設けられた複数の孔を介して導線を貫通または巻回させて形成したコイルとからなることを特徴とする力学量センサーユニット、およびこの力学量センサーユニットを２次元的に複数個配列してなることを特徴とする力学量センサー。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮応力、引っ張り応力、せんだん応力、トルクなど各種応力を高感度で検出するアモルファス合金薄帯を用いた力学量センサーユニット、およびそれを用いた高感度で２次元の力学量分布を検出する力学量センサーに関するものである。

力学量センサーは、対象物がもっている力学的情報を感知または検知する機器である。このような力学量センサーないし力センサーには、力によって生ずる弾性体の変形を利用するものと、被測定量と既知の大きさの力を平行させることによって力学的情報を検知する方式に大別することができる。

弾性体の変形を利用する方式の中には、負荷による受感部の弾性変形を変換素子として利用し、弾性変形量を変位センサーによって検出する力センサーがある。弾性体の変形量の検出に用いられる変位センサーとしては、従来から金属抵抗体ひずみゲージが最も多く利用されている。

その他、受感部の負荷による電気的特性の変化を利用したもの、たとえば磁気歪み効果を利用したもの、ピエゾ効果を利用したものなどがある。このタイプのセンサーは、前者の弾性体の変形を利用するものに比べると、はるかに小さい変形で十分な出力を得ることができるため、剛性の高いセンサーを構成することが可能となる。

たとえば、アモルファス合金薄帯の磁気歪み効果を用いた圧力センサーとしては、たとえば、「磁気センサの注目技術」（株式会社経営システム研究所発行、１９８２年）に記載されているようなトロイダルコア型のセンサーが知られている。このセンサーは、正の磁歪をもつアモルファス合金薄帯のリボンをトロイダル状に巻回してトロイダルコアとし、このトロイダルコアに応力を加えた場合に、これに伴い磁歪を通じて磁気特性が変化することを利用して、これを検出コイルで出力変化として検出するものである。

また、磁性体板を積層した厚板に応力を加えて磁気特性の変化を調べるセンサーも知られている（Sensors-A comprehensive Survey, vol. 5, R. Boll, K.J. Overshott）。

一方、力の分布を測定するシステムとしては、応力を加えることによる色の変化を検知するセンサーも知られている。このセンサーでは、多層フィルム中の1層を形成するマイクロカプセルが破れ、マイクロカプセル内の発色剤層が隣接する層の顕色剤に吸着し、化学反応で色の変化が生じるものである。さらにまた、水晶の逆圧電効果を利用したセンサーを金属、あるいはガラス板の四隅に配置した力分布センサーが知られている。
「磁気センサの注目技術」（株式会社経営システム研究所発行、１９８２年） Sensors - A comprehensive Survey, vol. 5, R. Boll, K.J. Overshott）

しかしながら、上述したような従来の圧力センサーなどの力学量センサーにおいては、以下のような技術的課題がある。

すなわち、まず、正の磁歪をもつアモルファス合金薄帯リボンを巻回してなるトロイダルコア型のセンサーは、高感度が得られる点で有効なものであるものの、感度を上げるためには比較的大きな寸法のトロイダルコアに構成し、アモルファス合金薄帯の柔軟性を活用して、大きな変形による特性変化を検出する必要がある。従って、比較的大きな変形を伴うと、特に高感度化あるいは低ヒステリシスを得るために熱処理を行ったものにあっては、トロイダルコア自体に欠けや破壊などの現象が起きることがあった。また、このセンサーの場合、センサーユニットを2次元に配列させて面方向での力の分布を測定するセンサーを構成することは、大きさの点で困難であり、そのためセンサーの用途がいきおい限定されてしまうという実用上の問題もあった。

また、一般的に力学量を検出する方法としては、歪みゲージを用いた場合が多く、ブリッジ回路を組み、圧縮部と引っ張り部の抵抗変化を電圧に変換して測定するが、この方法では満足のいく高感度が得られ難いという問題がある。また、この歪みゲージ型のセンサーにおいては、歪みゲージを被測定体に設置する際に、樹脂などの接着層を介してゲージを設置する必要があるため、これが測定データにばらつきが生じる要因にもなる。

さらに、磁性体板を積層した厚板に応力を加えて磁気特性の変化を調べるセンサーの場合は、本来電磁鋼板の圧延などの力センサーに用いられるため、検出する応力の範囲が比較的大きな領域での検知に用いられるため、小型で高感度の観点では適していない。

また、上述したような、応力を加えることによりマイクロカプセルが破壊されて色の変化が生じるセンサーは、通常、１回のみの測定に用いられ、複数回測定する場合にはその都度センサーを取り替える必要がある。また、このセンサーは、色あいでの評価のため半定量的なものとなるため、詳細かつ厳密な測定には不適当である。

また、上記のほかにも、２次元平面方向での力分布を測定するセンサーとして、水晶の逆圧電効果を用いたものが知られている。これは、銅、アルミ、ガラスなどの板の四隅に水晶センサーを配置したものである。このユニットを複数配置すれば広い範囲で力分布を測定することが出来る。この2次元センサーは十分感度が良好であり、堅牢性の点でも優れているが、水晶センサーユニット自体が極めて高価のため、密にセンサーユニットを配置して分解能を上げることはコスト的に困難である。

本発明は、上述した従来の技術的課題に鑑みてなされたものであって、比較的簡単な構造で高感度かつ高分解能での力学量の検出が可能な力学量センサーユニットならびにこのユニットを用いた力学量センサーを提供することを目的とするものである。

本発明に係る力学量センサーユニットは、アモルファス合金薄帯と、前記アモルファス合金薄帯に設けられた複数の孔を介して導線を貫通あるいは巻回させて形成したコイルとからなることを特徴とするものである。

本発明においては、上記のような応力を検出するためのセンサー自体の構造と最適な磁気歪みを持つアモルファス磁性合金材料との特定の組み合わせによって、高感度、かつリニアリティに優れ、さらにはヒステリシスが極めて小さく、温度特性に優れた力学量センサーユニットを提供することが可能となった。また、このユニットを２次元的に配置することによって、高感度、高分解能の２次元力学量センサーを構成することができる。

本発明の好ましい態様においては、上記アモルファス合金薄帯が矩形状であってもよく、上記アモルファス合金薄帯に設けられた孔の直径は、０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲であり、また、上記アモルファス合金薄帯の磁歪定数は、絶対値で、０．５ｐｐｍ以上１５ｐｐｍ以下の範囲であることが好ましい。

また、上記アモルファス合金薄帯の厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。

さらに、本発明の好ましい態様においては、上記のアモルファス合金薄帯が、結晶化温度以下で熱処理されたものからなり、また、上記アモルファス合金薄帯の磁気異方性が制御されていることが好ましい。

上記のアモルファス合金薄帯の磁気異方性の制御は、好ましくは、磁場熱処理によって行われてなり、さらに、このアモルファス合金薄帯の磁気異方性の制御は、薄帯表面に形状磁気異方性を発生させる処理により行われてなることが好ましい。

本発明は、上記のような力学量センサーユニットを２次元的に複数個配列してなり、各々のセンサーユニットに励磁用コイルと検出用コイルの導線を前記アモルファス合金薄帯に設けられた複数の孔を介してマトリックス状に配置してなる力学量センサーを包含する。

本発明によれば、上記のような応力を検出するためのセンサー自体の構造と最適な磁気歪みを持つ磁性合金材料との特定の組み合わせによって、高感度、かつリニアリティに優れ、さらにはヒステリシスが極めて小さく、温度特性に優れた力学量センサーユニットを提供することが可能となった。また、このユニットを２次元的に配置することによって、高感度、高分解能の２次元力学量センサーを構成することができる。

このようなアモルファス薄帯という特定の薄帯を使用し、このアモルファス薄帯の励磁状態における応力変化による磁性変化に着目して、これによって高感度かつリニアリティに優れ、さらにはヒステリシスが極めて小さい力学量センサーユニット、およびこれを配列させることによって力学量の２次元的分布状態を検知可能な力学量センサーが得られたことは予想外のことである。

本発明に係る力学量センサーユニットは、アモルファス合金薄帯と、前記アモルファス合金薄帯に設けられた複数の孔を介して導線を巻回させて形成したコイルとからなることを特徴としている。

すなわち、図１に示すように、本発明の力学量センサーユニットは、アモルファス合金薄帯１の一部に、複数の孔（２ａ）および（２ｂ）を設け、これら複数の孔を介して導線（３ａ）および（３ｂ）を巻回させて、導線（３ａ）による励磁用コイルと、導線（３ｂ）による検出用コイルとを形成することによって構成されている。したがって、センサーユニット自体は極めてシンプルな構造を有している。２つの孔（２ａ）および２つの孔（３ａ）は、導線（３ａ）による励磁用コイルと導線（３ｂ）による検出用コイルとが好ましくは９０度の角度で交差するように形成されていて、導線（３ａ）による励磁用コイルによって発生した磁場情報（具体的には、磁束分布状態）およびその変化が導線（３ｂ）による検出用コイルによって検出されるように構成されている。

導線（３ａ）による励磁用コイルと導線（３ｂ）による検出用コイルとの交差角度は９０度が好ましいが、場合により３０度以上１５０度以下の範囲内とすることができる。導線（３ａ）および導線（３ｂ）の貫通あるいは巻回の回数は、少なくとも１回（即ち、孔（２ａ）または孔（２ｂ）に存在する導線の数が１本の場合）以上必要である。本発明によれば、このように巻回の回数が１回以上であれば力学量センサーユニットとしての機能、作用を得ることができることから、この力学量センサーユニットを２次元的に複数個配列させることが容易にでき、かつ各力学量センサーユニットの小型化および配列密度の高度化を容易に達成することができる。巻回の回数の上限は存在しないが、上限は、通常１０回、特に５回以下が製造上と出力特性の観点から好ましい。導線（３ａ）の巻回の回数と導線（３ｂ）の巻回の回数とは、同一である必要はなく、異なっていてもよい。巻回の回数によってセンサーとしての諸特性、例えば感度、センサー出力値等、を制御することができるようになる。

本発明の力学量センサーユニットに用いるアモルファス合金薄帯１は、磁歪を持ち、その値は絶対値で０．５ｐｐｍ以上１５ｐｐｍ以下の範囲であることが好ましく、０．８ｐｐｍ以上１２ｐｐｍ以下の範囲であることが特に好ましい。センサーとしての働きは、力が加わっていないときの磁束分布と力が加わった時の磁束分布の差を逆磁歪効果によって生じさせ、これを検出コイルで測定するものである。従って、磁歪定数の値が重要な因子である。すなわち、０．５ｐｐｍ未満であれば感度が小さすぎ、センサーとしての性能が低く、一方１５ｐｐｍを超えると力に対してリニアリティが得られる範囲がせまく、またヒステリシスが大きくなってくる。ここで、アモルファス合金薄帯１の磁歪は、例えばストレインゲージ法で測定したときのものである。

この磁歪を実現する合金組成例として、
（イ）Ｃｏ−Ｆｅを基本とする
（Ｃｏ_{１−ａ−ｂ}Ｆｅ_ａＭ_ｂ）_{１００−ｄ}（Ｓｉ_１−ｃＢ_ｃ）_ｄ
Ｍ：Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ
０．０７≦ａ≦０．３５
０≦ｂ≦０．１
０．３≦ｃ≦０．９
１８≦ｄ≦３０（原子％）
（ロ）Ｆｅ−Ｎｉを基本とする
（Ｆｅ_{１−ｅ−ｆ}Ｎｉ_ｅＭ_ｆ）_{１００−ｈ}（Ｓｉ_１−ｇＢ_ｇ）_ｈ
Ｍ：Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ
０．３≦ｅ≦０．７
０≦ｆ≦０．１
０．３≦ｇ≦０．９
１８≦ｈ≦３０（原子％）
（ハ）Ｆｅ−Ｍ（Ｍは非磁性遷移金属）を基本とする
（Ｆｅ_１−ｉＭ_ｉ）_{１００−ｋ}（Ｓｉ_１−ｊＢ_ｊ）_ｋ
Ｍ：Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ
０．０４≦ｉ≦０．１２
０．３≦ｊ≦０．９
１５≦ｋ≦３０（原子％）
（ニ）Ｃｏ−Ｎｉを基本とする
（Ｃｏ_{１−ｉ−ｊ}ＮｉｉＭ_ｊ）_{１００−ｍ}（Ｓｉ_１−ｋＢ_ｋ）_ｍ
Ｍ：Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ
０≦ｉ≦０．４
０≦ｊ≦０．１
０．３≦ｋ≦０．９
１８≦ｍ≦３０（原子％）
の４つが好ましい例として挙げられるが、これ以外のアモルファス合金でも磁歪定数が本発明の上記範囲内であれば問題はない。上記（イ）〜（ニ）の中では、（イ）および（ロ）が好ましく、特に（イ）が好ましい。アモルファス合金の磁歪定数は、例えばＣｏとＦｅの比、あるいはＦｅとＮｉの比を制御することが可能である。

なお、（ニ）Ｃｏ−Ｎｉ系合金の磁歪は負であり、それ以外の（イ）Ｃｏ−Ｆｅ系合金、（ロ）Ｆｅ−Ｎｉ系合金、（ハ）Ｆｅ−Ｍ系合金の磁歪は正である。本発明に用いるアモルファス合金薄帯は、急冷状態の試料でもよいが、結晶化温度以下の温度での熱処理、例えば３００℃以上５００℃以下の範囲、特に３５０℃以上４８０℃以下の範囲で、１分以上５時間以下、特に１０分以上３時間以下、熱処理することによって作製されたものは、高感度でセンサー出力の線形性が良好になる（即ち、リニアリティの向上）とともにヒステリシスが小さくなるために、特に好ましい。

そして、本発明の力学量センサーユニットに用いるアモルファス合金薄帯は、磁気異方性を制御することによって、特にリニアリティと感度を制御することが出来る。磁気異方性の制御には、用いるアモルファス合金薄帯のキュリー温度以下で磁場熱処理を行ったり、あるいはレーザー処理によって表面にきず（溝）などを形成することによって、薄帯表面に大きな形状磁気異方性を発生させる処理を行う方法を利用することができる。

下記は、本発明において、必要に応じて採用される、熱処理による磁気異方性調整、レーザー処理による形状制御による磁気異方性の発生、機械的きずの形成方法について具体例を示す。

磁場熱処理はそのアモルファス合金のキュリー温度以下の温度で、磁気異方性を付与したい方向に所定の時間、磁場を印加しながら熱処理する方法である。その熱処理温度は１８０℃以上、その合金のキュリー温度以下であればよく、好ましくは２００℃以上、キュリー温度の１０℃下の範囲である。印加する磁場の強さは１０Oｅ以上であればいい。また、熱処理時間は５分以上５時間以下である。好ましくは１０分以上３時間以下である。

レーザー処理による形状制御に基づく磁気異方性発生に用いるレーザーはＣＯ_２レーザー、ＹＡＧレーザーなど特に種類は選ばないが、好ましくはＹＡＧレーザーである。これは形状制御を行った場合、薄帯表面の凹凸の制御がしやすいためである。レーザー処理の場合、レーザーのパルス時間、強さ、スキャン速度によって、形成する薄帯上の溝の条件が決まる。また、その間隔を制御することにより、形状磁気異方性の大きさが決まり、磁気特性を制御できる。

また、製造時の凝固プロセス等で生じたアモルファス合金薄帯の表面粗さ等が不適当である場合には、センサー特性への影響が無視できないことがあるので、被測定物と接するセンサーの辺は全て同一方向（薄帯の長手方向であるか幅方向）に全て合わせていることが好ましい。すなわち、本発明によるセンサーユニットにおけるアモルファス合金薄帯１は、通常、リボン状で製造された長尺のアモルファス合金薄帯を切断して作製されるが、被測定物と接することになるアモルファス合金薄帯１の辺の向きが長尺のアモルファス合金薄帯の長手方向であるか幅方向であるかによってセンサーとしての特性が僅かに異なる場合があることから、特性の均一化および測定精度の向上のために、各アモルファス合金薄帯１における被測定物と接する辺を向きを、長尺のアモルファス合金薄帯における方向性に関し統一することが好ましい。

本発明に用いるアモルファス合金薄帯１の厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲が好ましい。５μｍ未満ではセンサーとしての機械的強度が低くなり、また５０μｍを超えると感度の低下と、熱処理した試料の場合、脆化による破壊が起きやすくなる。好ましい板厚の範囲は１０以上４０μｍ以下であり、さらに好ましくは１２μｍ以上３５μｍ以下である。

本発明のアモルファス合金薄帯１に設ける複数の孔（２ａ）および（２ｂ）は、直径が０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲が好ましい。０．２ｍｍ未満では励磁あるいは検出コイルの設置が困難となり、５ｍｍを超えると、特に熱処理した試料の場合、力を受けたときのアモルファス合金薄帯の強度が低下して破壊する場合がある。

また、本発明のアモルファス合金薄帯１に設ける複数の孔（２ａ）および（２ｂ）の位置は、アモルファス合金薄帯１が矩形状のものである場合、その対角線に対して、中心から角に至る対角線の半分の長さに対して、その長さの１／１０以上９／１０以下の範囲でほぼ対角線上にあることが好ましいが、この中心点を軸に回転させた位置にあってもよい。また、４つの孔はほぼ正方形を構成することが好ましいが、長方形になってもよい。

アモルファス合金薄帯１の外形は、図１に示される様な矩形状または正方形が好ましい。

また、アモルファス合金薄帯１には、それを力学量センサーユニットとして使用する際の安定性の向上あるいは力学量センサーユニットに組み込む際の便宜等を考慮して、図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、アモルファス合金薄帯１の上辺および／または下辺（すなわち、力学量の測定に際し、アモルファス合金薄帯１に対して力が印加される辺）が延長されるような形状、即ちＩ型、Ｔ型、Ｌ型の形状にすることができる。このようなＩ型、Ｔ型、Ｌ型のものは、センサーユニットを１次元的または２次元的の力分布センサーとする場合に、基体上にセンサーユニットを立てて配列させる際に特に適したものである。また、図２（ｄ）に示すように孔の間隔と同等程度の幅になるまで、矩形の辺を短くしてもよい。この場合は、受ける力に対してすべて検出コイルを横切る磁束の変化に反映できるので、正確な測定が可能である。

アモルファス合金薄帯１の上辺および下辺（すなわち、力学量の測定に際し、アモルファス合金薄帯１に対して力が印加される辺）は、実質的に平行でありかつ直線的であることが好ましいが、アモルファス合金薄帯１の左辺および／または右辺（すなわち、力学量の測定に際し、アモルファス合金薄帯１に対して力が実質的に印加されない辺）は、力学量の測定に際し実質的に悪影響を及ぼさないならば、平行でありかつ直線的である必要はない。例えば図２（ｅ）に示されるような樽形、図２（ｆ）に示されるような鼓形、その他の形状にすることができる。

アモルファス合金薄帯１の外形を所望の形状にする方法は任意である。例えば、機械的に打ち抜いても、化学的にエッチングによって抜いてもよい。

また、本発明による２次元センサーは、上記のセンサーユニットを２次元的に複数個配列してなり、各々のセンサーユニットに励磁用コイルと検出用コイルの導線を前記アモルファス合金薄帯に設けられた複数の孔を介してマトリックス状に配置してなるものである。

図４（ａ）は、本発明による２次元センサーの好ましい具体例の上面図である。
この図４に示される２次元センサーは、縦３列、横３行の合計９個の前記アモルファス合金薄帯１が配列したものである。縦第１列目かつ横第１行目のアモルファス合金薄帯（即ち、図３の左端列の一番上のアモルファス合金薄帯）には、縦第１列目（即ち、左端列）の３個のアモルファス合金薄帯を貫いて１系統の導線が通じており１ターンコイルが形成されている。さらに、横第１行目（即ち、一番上の行）の３個のアモルファス合金薄帯を貫いて別の１系統の導線が通じており１ターンコイルが形成されている。これらの２系統の導線で、片方が励磁用コイルとして機能し、もう片方が検出用コイルとして機能するようになっている。

残りの他のアモルファス合金薄帯についても同様に、同一縦列を貫く１系統の導線と、同一横行を貫く別の１系統の導線が通じていて、励磁用コイルまたは検出用コイルとして機能するようになっている。

このような２次元センサーの場合も１ターンコイルとすることが簡単な構造であり好ましいが、この巻線数には限らない。また、特に分解能をあげたい部分にセンサーユニットを密に配置することができる。

図４に示される２次元センサーの、縦列の３つの検出コイルから得られた３つの検出結果と縦列の３つの検出コイルから得られた３つの検出結果とを照会するによって、９個のアモルファス合金薄帯のうちどのアモルファス合金薄帯がどの程度の力学量を検出したかを知ることができる。さらに、複数のアモルファス合金薄帯の位置およびそれぞれが検知した力学量から、２次元的な応力分布の状況を判断することができる。

次に、２次元センサーについて具体的な応力検出方法を、上記図４に示される縦３列横３行の２次元センサーをついて示す。
２次元センサーのアモルファス合金薄帯を貫通した、導線（ａ−ｂ）と導線（１−２）、導線（ｃ−ｄ）と導線（３−４）、導線（ｅ−ｆ）と導線（５−６）、それぞれの組み合わせに対して、図５に示される回路を３組用意する。アンプとアモルファス合金薄帯を貫通する巻線の間には切り替えスイッチがあり、コイル線は時分割で励磁側と検出側に切り替えられるようにすることで、何行目何列目に荷重が加わっているのかを検出することができる。このアモルファス合金薄帯の間隔で分解能の高さを変えることが可能となる。

なお、ここでは説明の簡略化のために縦３行横３列の２次元センサーについて示したが、同検出方法は、アモルファス合金薄帯の縦方向および／または横方向の配列枚数が更に多い２次元センサーについても適用可能である。

以下に、本発明の実施例を示すが、本発明は、下記の実施例の態様に限定されるものではない。

実施例１〜１０および比較例１〜２
表１の実施例１〜１０、および比較例１〜２に示す板厚２５μｍのアモルファス合金薄帯を単ロール法で作製し、１辺１０ｍｍの正方形の試料を作成するとともに、対角線の交点から３ｍｍの位置に１ｍｍの孔を４つあけて、励磁用、検出用コイルをそれぞれ７ターン巻いて配置した。なお、一部の材料を除き熱処理を行っており、表１の中に熱処理温度を記載している。時間は３０分一定で、窒素雰囲気中である。また、各材料の磁歪定数はストレインゲージ法で測定している。

また、比較例３として同様の軟磁性材料の範疇であるＮｉ_７０Ｆｅ_２８Ｎｂ_２（原子％）なる結晶質合金（板厚５０μｍ）を作製し、８００℃で熱処理して、同様の形状に加工した。

評価条件を励磁周波数１０ｋＨｚ、励磁電流１００ｍＡとして、引張り応力１．０Ｎまで出力電圧の変化を測定した。出力電圧は１．０Ｎの引張り応力を加えたときの値であり、ヒステリシスは０．６Ｎでの値を応力の増加時と減少時の値の差を求めている。

表１の結果から明らかなように、本発明のセンサーユニットは高感度で、ヒステリシスの極めて小さいことが確認できる。なお、比較例３は機械的強度が十分ではなく、繰り返し応力に対する耐力がないため、出力値のヒステリシスが測定できない。

実施例１１〜１６および比較例４〜５
表２の実施例１１〜１６、および比較例４〜５に示す板厚３０μｍのアモルファス合金薄帯を単ロール法で作製し、１７ｍｍ×１５ｍｍの長方形になるように打ち抜き、こののち対角線の交点から４ｍｍの位置の対角線上に１．５ｍｍの孔を４つあけて、励磁用、検出用コイルをそれぞれ５ターン巻いた。

なお、ほとんどの材料は熱処理を行っており、表２の中に熱処理温度を記載している。時間は３０分一定で、窒素雰囲気中である。また、各材料の磁歪定数はストレインゲージ法で測定している。

表２の結果から明らかなように、本発明のセンサーユニットは高感度で、ヒステリシスの極めて小さいことが確認できる。

実施例１７〜２１および比較例６〜７
表３の実施例１７〜２１、および比較例６〜７に示す板厚３０μｍのアモルファス合金薄帯を単ロール法で作製し、１７ｍｍ×１５ｍｍの長方形になるように打ち抜き、こののち対角線の交点から４ｍｍの位置の対角線上に１．５ｍｍの孔を４つあけて、励磁用、検出用コイルをそれぞれ６ターン巻いた。

表３の結果から明らかなように、本発明のセンサーユニットは高感度で、ヒステリシスの極めて小さいことが確認できる。なお、磁歪が大きい場合、出力のヒステリシスが大きく、また、磁歪が小さい場合は出力が小さくなっている。

実施例２２〜２６および比較例８〜１０
表４の実施例２２〜２６、および比較例８〜９に示す板厚２５μｍのアモルファス合金薄帯を単ロール法で作製し、１辺１０ｍｍの正方形の試料を作成するとともに、対角線の交点から４ｍｍの位置に１ｍｍの孔を４つあけて、励磁用、検出用コイルをそれぞれ５ターン巻いて配置した。なお、この後応力を受ける側の辺を図２（ｄ）に示す形状になるように、ＹＡＧレーザを用いて調整した。

また、ほとんどの材料は熱処理を行っており、表４の中に熱処理温度を記載している。時間は３０分一定で、窒素雰囲気中である。

また、比較例１０として軟磁性材料の範疇である板厚１００μｍで（１１０）配向させたＦｅ_９４Ｓｉ_６（原子％）を作製し、同様の形状に加工した。

評価条件を励磁周波数１０ｋＨｚ、励磁電流１００ｍＡとして、引張り応力１．０Ｎまで出力電圧の変化を測定した。出力電圧は１．０Ｎの引張り応力を加えたときの値であり、ヒステリシスは０．６Ｎでの値を応力の−増加時と減少時の値の差を求めている。

表４の結果から明らかなように、本発明のセンサーユニットは高感度で、ヒステリシスの極めて小さいことが確認できる。本実施例と同様に、磁歪が正の材料でも同様の結果が得られている。

なお、本比較例も磁歪が大きい場合、出力のヒステリシスが大きく、また、磁歪が小さい場合は出力が小さくなっている。また、比較例１０はアモルファス合金薄帯に比べ透磁率が低く、出力値が小さい。

実施例２７〜３０および比較例１１〜１２
表５の実施例２７〜３０、および比較例１１〜１２に示す板厚２５μｍのアモルファス合金薄帯を単ロール法で作製し、１辺１０ｍｍ
の正方形の試料を作成するとともに、対角線の交点から３ｍｍの位置に１ｍｍの孔を４つあけて、励磁用、検出用コイルをそれぞれ５ターン巻いて配置した。なお、実施例２７、２８は磁場熱処理を各材料のキュリー温度の３０℃下で１時間行っている。また、実施例２９、３０はレーザー処理を行っている。具体的には、時間は３０分一定で、窒素雰囲気中である。

表５の結果から明らかなように、本発明のセンサーユニットは高感度で、ヒステリシスの極めて小さいことが確認できる。。なお、本比較例も磁歪が大きい場合、出力のヒステリシスが大きく、また、磁歪が小さい場合は出力が小さくなっている。

実施例３１、３２
実施例９で用いたＣｏ基アモルファス合金からなるセンサーユニットを１０ｍｍ間隔で１０行１０列に並べ、励磁用巻線と検出巻線を１ターン貫通させて、各端子には図５に示したような検出回路を設け、２次元の力学量センサーを作製した。

これに、錘を乗せて位置の確認をしたところ、錘をのせたところの行と列の信号が変化しており、分布センサーとして基本特性が得られることを確認した。具体的な３次元データを図５に示す。この図は、ｘおよびｙ方向の１、２、３にセンサーユニットが配置されており、ｚ方向に差分出力値を示したものであり、ｘ＝２、ｙ＝２のところに錘をのせた場合である。

また、同様に実施例３２として、１０行１０列の２次元センサーを作製し、同様の評価を行ったが、この場合も図５と同様な応力に対する３次元の等高線が描くことができた。

上記の各実施例から明らかになるように、本発明による力学量センサーユニットによれば、磁歪定数が絶対値で０．５ｐｐｍ以上１５ｐｐｍ以下のアモルファス合金薄帯を用いて、アモルファス薄帯の一端を固定し、反対側から力を加えたときに、高感度、優れたリニアリティ、および小さなヒステリシス、さらには優れた温度特性をもつ力学量センサーユニットを提供できる。また、このセンサーユニットを２次元配列することにより、力学量分布の高感度検出が可能となる。

本発明に係る力学量センサーユニットの基本構成図本発明に係る力学量センサーユニットのアモルファス合金薄帯を示す図本発明の係る力学量センサーユニットを２次元的に複数個配列してなる力学量センサーの基本構成図図３の２次元センサーによる応力測定の際に使用される回路図図４の２次元センサーによる応力測定の結果を示す図

符号の説明

１：アモルファス合金薄帯
２ａ、２ｂ：孔
３ａ、３ｂ：導線
４：基体

Claims

アモルファス合金薄帯と、
前記アモルファス合金薄帯に設けられた複数の孔を介して導線を貫通あるいは巻回させて形成したコイルとからなることを特徴とする、力学量センサーユニット。
前記アモルファス合金薄帯が矩形状である、請求項１に記載の力学量センサーユニット。
前記アモルファス合金薄帯に設けられた孔の直径が０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲である、請求項１に記載の力学量センサーユニット。
前記アモルファス合金薄帯の磁歪定数が、絶対値で、０．５ｐｐｍ以上１５ｐｐｍ以下の範囲である、請求項１に記載の力学量センサーユニット。
前記アモルファス合金薄帯の厚さが、５μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１に記載の力学量センサーユニット。
前記アモルファス合金薄帯が、結晶化温度以下で熱処理されたものである、請求項１に記載の力学量センサーユニット。
前記アモルファス合金薄帯の磁気異方性が制御されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の力学量センサーユニット。
前記アモルファス合金薄帯の磁気異方性の制御が、磁場熱処理によって行われてなる、請求項７に記載の力学量センサーユニット。
前記アモルファス合金薄帯の磁気異方性の制御が、薄帯表面に形状磁気異方性を発生させる処理により行われてなる、請求項７に記載の力学量センサーユニット。
請求項１に記載の力学量センサーユニットを２次元的に複数個配列してなり、各々のセンサーユニットに励磁用コイルと検出用コイルの導線を前記アモルファス合金薄帯に設けられた複数の孔を介してマトリックス状に配置してなることを特徴とする、力学量センサー。