JP2005521037A - 検知するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気的パラメータ又は磁気的パラメータ及びこれらに類似したパラメータを検知するための方法、及び電気的パラメータ又は磁気的パラメータ及びこれらに類似したパラメータを利用するための方法であって、構造変化に基づく応力の影響を受けるパラメータを有する材料片を取り出し、前記材料の形状変化をもたらす力を前記材料上に導き、前記材料における電気的パラメータ又は磁気的パラメータ及びこれらに類似したパラメータの変化を測定し、更なる動作を制御するために前記測定したパラメータを利用することを含むことを特徴とする方法に関する。また、本発明はこれを目的とする装置に関する。

Description

発明の詳細な説明

（技術分野）
本発明は、構造変化に基づく応力の影響を受けるパラメータ（Stress-influenced parameters based on structural changes；ＳＩＰＢＳＣ）を有する材料に基づく位置、速度、及び／又は加速度を検知する新しい方法に関するものである。ＳＩＰＢＳＣ材料は、一次元、二次元又は三次元のセンサー、ねじれセンサー、及び／又は曲げセンサー、あるいはこれらセンサーの組み合わせ等、様々な種類のセンサーの応用例に使用することができる。

（背景技術）
機械工学の応用例において、加速度及び速度は重要なパラメータであり、観測する必要があることが多い。これらのパラメータを測定するために、歪み計、光学レーザセンサー、永久磁石を用いたタコメータ等、様々な方法や材料が今日では使用されている。最近では、自動車や機械等、いくつかの工業製品においてセンサーを使用することが増加している。センサーは、自動車のエアバッグシステム等、新しい分野でも応用されており、例えばシリコンを用いた加速度センサーが今日では使用されている。

（発明の要約）
ＳＩＰＢＳＣ材料の可変的パラメータは、ＳＩＰＢＳＣ要素の磁気的又は電気的パラメータ（電気抵抗等）である場合がある。本願発明者らは、ＳＩＢＳＣＰ材料の特性を位置、速度、又は加速度（応力）等の力学的特性を検知するために利用できることを発見した。ＳＩＰＢＳＣ要素は、直線運動、屈曲、又は捻り、或いはこれらを組み合わせた動作を測定する一次元、二次元、又は三次元センサーの場合におけるセンサーとして機能することが可能である。逆効果のおかげで、磁界又は磁界に関係する他の特性を観測するためにＳＩＢＳＣＰ材料を使用できる。ＳＩＰＢＳＣ材料の例としては、ホイスラー合金、特にＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ合金やＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金等の強磁性形状記憶合金（ＦＳＭＡ）が挙げられる。本明細書において、ＦＳＭＡは強磁性の形状記憶合金を意味することを強調しておく。これら材料の寸法は、技術文献でＦＳＭＡ或いは磁気的に制御される形状記憶（ＭＳＭ）合金と呼ばれる材料のように、磁界によって制御される必要はない。ＦＳＭＡは特定の構造及び磁気的特性を有する。ＦＳＭＡを力学的に変形させると、それらの双晶構造、又は位相構造が変化する。すなわち、応力に対して優越方位のある双晶変形又は／及びマルテンサイトバリアントは成長するが、そのほかのバリアントは小さくなり、下記に示すある特定の磁気的特性に変化をもたらす。変形による透磁率、磁気抵抗、磁化状態、又は電気抵抗等の磁気的特性又は電気的特性の変化は、位置、速度、又は／及び加速度を観察する際に利用される。

本発明の目的は、ＳＩＰＢＳＣ材料片の形状変化によって影響される特定の磁気的パラメータ又は電気的パラメータを観察することに基づく、位置、速度、及び／又は加速度を検知するための方法及び装置を実現することにある。本発明によって、機械、エンジン、建造物、車両、又は航空機等様々な応用例において多目的かつ経済的な方法で検知が可能になる。これは添付した請求項において特徴を述べた方法で実現される。

（発明の詳細な説明）
本発明は、構造変化に基づく応力の影響を受ける磁化状態（Stress-influenced magnetization based on structural changes；以下、ＳＩＰＢＳＣと称する）を持つ材料の現象及び応用例について考察する。全てのＳＩＰＢＳＣ材料において、磁化曲線及び／又は電気抵抗といった電気的特性は、ＳＩＰＢＳＣ材料片の形状に依存し、これを本明細書ではＳＩＰＢＳＣ要素と呼ぶ。ＳＩＰＢＳＣの効果は、ＳＩＰＢＳＣ材料の内部領域における変化率に基づく。これらの領域ではそれぞれ磁化曲線が異なる（しかし、電気抵抗の場合、磁化曲線の変化は必要ではない）。ＳＩＰＢＳＣ材料全体の実際の磁化曲線は異なる領域の割合の関数である。磁場又は応力をＳＩＰＢＳＣ材料片に印加することによって、内部領域の割合が順番に変えることができ、ＳＩＰＢＳＣ材料片の形状が変化する。したがって、印加された磁場又は応力、及びＳＩＰＢＳＣ材料片の寸法がＳＩＰＢＳＣ材料の実際の磁化曲線に関係する。図１ａは、あるＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ合金の磁化曲線の概略図を示し、その正方格子における短い方の軸は磁化容易方向である。図１ａでは、曲線１は一片の長さがｘ＝ｘｍａｘである場合の（ＳＩＰＢＳＣ材料片の）磁化容易領域に対応し、曲線２はｘ＝ｘｍｉｎの場合の磁化困難領域に対応し、曲線３はスティック（ｓｔｉｃｋ）の長さがｘ（ｘｍｉｎ＜ｘ＜ｘｍａｘ）の場合の実際の磁化曲線である。

応力又は磁場印加時におけるＳＩＰＢＳＣ材料の形状変化の仕方には、３種類のメカニズムがある。

１．双晶変形（Twin variants）の変化
このＳＩＰＢＳＣ材料は、磁化異方性を有する（１または２以上の）バリアント（Variants）から構成される。これらの変形は、相互の位置関係を保って異なる方向を向いている。応力又は磁場により誘起されるバリアントの割合の変化によって、特定の方向における磁化曲線の変化やＳＩＰＢＳＣ材料片の形状に変化が生じる。この特徴がＳＩＰＢＳＣ材料とならしめている。強磁性形状記憶（ＦＳＭＡ）材料はこれらの種類の材料の１グループである。

図１ｂに、このようなＦＳＭＡ材料の例を２つ示す。図１ｂは２種類のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ合金の圧縮応力−歪み曲線を示す。Ａで印された合金は、過小荷重レベル、すなわちほんの数ＭＰａでは６％まで圧縮できる。このＮｉ−Ｍｎ−Ｇａマルテンサイト相の格子の単位セルは正方であり、その短い方の軸（ｃ軸）は他のａ軸、ｂ軸よりもおよそ６％短い。磁化容易方向はｃ軸と平行である。図１ｂに示す材料片Ａは、最初（ε＝０）たった１つのバリアント（黒で示した部分）で構成され、そのｃ軸（及び磁化Ｍの容易方向）は応力の方向と垂直である。圧縮応力が印加されると、ｃ軸の向きが応力方向と平行となる第２のバリアントが現れ、応力が増加すると成長を開始する。図１ｂは、の応力σ２により３％（ε＝３％）収縮した場合のＦＳＭＡ材料片の概略図を示す。今度は材料体積の約半分が第２バリアント（灰色で示す部分）で構成されている。ある一定の応力レベルσ3では、材料片は完全に圧縮され（ε＝６％）、第２のバリアントのみで構成され、その磁化容易方向とｃ軸方向が応力方向と平行になっている。最大圧縮量（ε＝６％）は単位セルの軸率ｃ/ａに相当する。

応力が無くなると、ＦＳＭＡ材料には復元力がないため材料片の形状には何の変化も起こらない。したがって、材料がどの位置でも力学的に安定する。これはセンサーの応用例では極めて重要である。その後、もし応力が第２のバリアントのｃ方向に印加されると、元の状態（ε＝０）に戻る。材料Ａにおいて、応力ではなく磁場、あるいは応力に加えて磁場を印加することによって図１ｂに応力の例を示すのと同様に材料片の形状が変化する。本願発明者らは、材料特性において検出可能な変更は全く行わずに、１つのバリアント状態から別の状態へ２億回以上ＦＳＭＡ材料片を歪ませた。これによって、ＳＩＰＢＳＣ材料から極めて耐久性のあるセンサーを作ることが可能であることが判明する。

合金Ｂにおいて、応力ごとに１つのバリアントから別のバリアントへの変換することによって実現可能な最大歪みはおよそ２０％である。このＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ構成物は正方格子を示し、そのｃ軸はａ軸、ｂ軸よりも約２０％長い。この材料において、圧縮応力は短い格子方向を好み、引張応力は長いｃ軸方向を好む。磁化容易面はａ−ｂ面である。この材料の磁気異方性エネルギーは合金Ａのものよりもかなり高い。合金Ｂの特徴の１つは、ある一定の限界応力σＴに達すると、材料片が同じ応力で１７％まで歪むという特徴である。この特徴は、例えば、下記に示すある特定の加速度センサーに適用される。

２．原子の積層の変化
格子構造が異なると、それらの磁化曲線及び幾何学次元も異なる。原子の積層が起こる材料を、ＳＩＰＢＳＣ材料として用いることができる。例えば、ある特定のＣｏ−Ｎｉ合金（例えばＣｏ−３２Ｎｉ）において、このような材料の一片に応力又は磁場が印加されると、格子構造が面心立方（ＦＣＣ（face centered cubic））から六方再密（ＨＣＰ（hexagonal close-packed））、あるいは逆に変化するため、一片の形状変化が起こる。

３．マルテンサイトバリアントの変化
オーステナイト相及びマルテンサイト相とではそれぞれ磁化曲線と寸法が異なる。応力がこのような材料の一片に印加されると、オーステナイト相及びマルテンサイト相の割合が変化し、特に、応力に対して好ましい配向にあるマルテンサイトバリアント（すなわち、特定の結晶学的に配向した領域）が成長し、他のバリアントが収縮するため、材料片に形状変化が起こる。この種の材料をＳＩＰＢＳＣ材料として用いることができる。

ＳＩＰＢＳＣ材料の磁化曲線、電気抵抗、及び位置と応力との関係は、多くの方法で用いることができる。基本的な応用例として、例えば透磁率変化に基づく位置測定、または力学的エネルギーを用いた電気エネルギー生産が挙げられる。また、他にも応用例がある。例えば、ＳＩＰＢＳＣ材料の磁化曲線は、異なる残留磁束及び保磁強度を持った変化するヒステリシスを有する。したがって、調整可能な永久磁石として用いられる。別の例では、ファラデーの法則に基づくＳＩＰＢＳＣ材料片の形状変化のスピード測定がある。

ＳＩＰＢＳＣ材料は、力学的に安定し、高い減衰能を有し、長い疲れ寿命を示し（疲労せずに２億サイクル以上可能）、高荷重にも耐える（８００ＭＰａまで計測済）ため、センサーとして優れた特性を有する。例えば、力学的に安定しているときは、ＳＩＰＢＳＣ材料には通常復元力がないため、影響を及ぼす力が除去されてもＳＩＰＢＳＣ材料片ではどの位置でも何の変化も起こらない。しかし、いわゆる超弾性領域の温度でＳＩＰＢＳＣ材料を用いると、復元力が現れる。これらの温度は、通常のＳＩＰＢＳＣ材料を動作させる温度よりも高い。双晶境界又は／及びマルテンサイト境界面の応力誘起運動に起因するＳＩＰＢＳＣ材料の高い振動減衰能力によって、逆にＳＩＰＢＳＣ材料は振動を感じなくなる。この特徴はＳＩＰＢＳＣの消振ダンパーに適用可能である。ＳＩＰＢＳＣ材料の動作温度範囲は広く、例えば、図１ａに示す合金Ｂは１００Ｋ以下から７５０Ｋ以上の絶対温度で機能する。また、小さなセンサーを作るために極めて小さなＳＩＰＢＳＣ材料片を作ることが可能である。ＳＩＰＢＳＣ材料を最適な基板の上に付着させ、例えばエッチング、レーザー切断、あるいはミクロ機械加工等の方法を施すと、センサー構成部品を形成することができる。

断り書きがない限り、ワードセンサーとは下記記載において位置、速度又は／及び加速度センサーを意味する。

以下の例は、あくまで本発明を例示するために記載されているにすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明におけるいくつかの本質的な特徴は下記の例で明らかである。一例に示す特定の特徴は別の例及び／又は本発明全般に関係する。特許請求の範囲において本発明の範囲を示す。
（実施例）
下記の例では、上記メカニズム１（すなわち、双晶変異の変化）のみを示すＳＩＰＢＳＣ材料（ＦＳＭＡ，特に数値計算法用Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ）について測定を行っている。本実施例では使用していないが、メカニズム２またはメカニズム３が働く材料であっても結果は得られる。

センサー特性は２つの領域に分類できる。すなわち、ＳＩＰＢＳＣ材料片の磁気抵抗の変化の利用とＳＩＰＢＳＣ材料片の電気抵抗の変化の利用である。これら両方のケースを直線的な１次元位置センサーにおいて示す。

ケース１：磁気抵抗の変化を利用する位置センサー
ケース２：電気抵抗の変化を利用する位置センサー
ＳＩＰＢＳＣ材料は、１次元直線位置センサーで使用するとともに、２次元センサー、曲げセンサー、又はねじれセンサーでも使用できる。

位置センサーの単純な動作に加え、ＳＩＰＢＳＣ材料（双晶変形のケース）の動作も次に挙げる３つのセンサー応用例において示し測定する。

ケース３：ジョイスティック
ケース４：速度センサー
ケース５：加速度センサー
センサーの応用例と同じ原理に基づき、ＳＩＭＢＳＣ材料を用いた装置から出力される信号から電力を生成することも可能である。このために、１つの応用例を示す（ケース６）。また、それらの装置は、例えば時間に依存させる方法で、制御可能な消振ダンパーとして使用可能である。力学的振動により上記装置にて生成した電力は、制御して他の種類のエネルギーへ変換するか、あるいは熱となって放散させることができる。

ケース６：発電への応用
磁気抵抗の変化を利用した位置センサー（ケース１）
強磁性記憶形状（ＦＳＭＡ）材料はＳＩＰＢＳＣ材料の特別なケースである。応力又は磁場による双晶変形の向きを再度変更することによって、その磁化曲線及び形状が変わる。位置センサーとしてＦＳＭＡ材料片の磁気抵抗の変化を利用することは、多くの技術で利用することができる。本願発明者らは交流磁界および直流磁界の両方を用いて信号を生成した。磁気抵抗の変化の検知は、コイル、あるいは磁場を検知できるセンサーを用いて行った。測定方向は力学的運動方向に平行又は垂直であった。

また、磁気抵抗の変化を利用して位置検知を行う測定について３つの例を示す。第１の例として、力学的運動と平行する方向における磁気抵抗の変化を測定する際、コイルを用いて交流磁界の変化を測定した。測定設定を図２９に示す。参照符号４はＦＳＭＡの一片であり、参照符号９はコイルである。図３０に示す実験結果から分かるように、誘導電圧が位置に対して平滑に依存している。第２の例では、力学的運動と垂直方向の直流磁界において磁界の変化を測定している。この測定についての測定設定を図３１に示す。参照番号４はＦＳＭＡの一片、参照符号７は強磁性コア、参照番号１７は磁界センサーである。図３２に示す結果から分かるように、測定の分析度が極めて高いにもかかわらずＢが位置（歪み）に対してかなり直線的に依存している。

さらに、交流磁界を利用して垂直方向に信号を生成させる第３の例を示す。検知はコイルを用いて行う。この例では、ＦＳＭＡの一片が上記変化を起こしている磁気回路のインダクタンスの変化を測定する。この場合、インダクタンスから位置情報が分かる。

インダクターのエアエッジにおけるＦＳＭＡの一片の２つの状態を図２に示す。以下の説明ではＦＳＭＡの一片をＦＳＭＡ要素とも呼ぶものとする。参照番号４はＦＳＭＡ要素、参照番号５は磁化容易方向を表す。図２から容易に理解できるように、次の２つ、すなわち、ＦＳＭＡ要素の寸法の変化及びＦＳＭＡ要素の透磁率の変化によってインダクタンスに変化が生じる。また、図２から分かるように、これらの２種類の現象は互いに向きが逆である。ＦＳＭＡ要素が長い場合（図２のケース２）、ＦＳＭＡ要素とコアとの間のエアエッジが多く、インダクタンスが減少するが、同時にＦＳＭＡ要素の透磁率は増加し、インダクタンスが増加する。ＦＳＭＡ要素が短いと（図２のケース１）、逆の状態が起きる。

全ての測定では、フェライト・インダクターのエアエッジの中にＦＳＭＡ要素を配置した。この配置は図３から分かる。参照番号６は透磁率測定の方向、参照番号７は強磁性コア、参照番号８は移動方向、及び参照番号９はコイルを表す。ＦＳＭＡ材料のインダクタンスに影響を及ぼす透磁率測定の方向は図３から分かる。ＦＳＭＡ要素はインダクターのエアエッジに入れ、引張試験機にしっかりと取り付けた。このサンプルへ印加する力は張力と応力との間でゆっくりと変化させる。ＦＳＭＡ要素の長さを変化させる時に、インダクターのインダクタンスを測定した。このことからわかるように、ＦＳＭＡ要素の長さと印加する応力が依存し、磁気回路のインダクタンスが変化する。

位置（ＦＳＭＡ要素の長さ）は、クリップ式変位センサーを使って測定した（抵抗測定）。力はロイド・インスツルメンツ社のＬＲＸ Ｐｌｕｓを使用して測定した。インダクターのインダクタンスは、ＳＲＳロックイン増幅器を使用して測定した。インダクターの測定方法を表１．１に示す。検討した長方形のサンプルのサイズは２．１ｍｍ×１．３ｍｍ×１０ｍｍであった。測定時のピーク電流はｉｐｅａｋ＝１３５ｍＡであった。

測定は１０Ｈｚから２００Ｈｚの異なる周波数の供給電圧で行われる。異なる周波数では曲線の顕著な変化は観察されなかった。

測定結果を図４に示す。図４は多様な測定を示すが、測定のゼロ位置は異なる。したがって、曲線同士は重なり合わない。図８は、ＦＳＭＡ要素が長くなっている時のインダクタンスの上昇を示す。このことは予想されるものである。なぜならば、ＦＳＭＡ要素が長くなると測定した方向におけるサンプルの透磁率が増加するためである。また、測定はあるヒステリシスを示す。しかし、それは測定エラーによるものであることは間違いない。

温度はＦＳＭＡ材料の透磁率に影響を及ぼす。温度依存性を測定で確認した。サンプルの温度及び全体の測定システムは、図３に示すシステムで−２０℃に設定された。そして、サンプルの温度は自然にかつヒートファンで上昇する。温度はサンプルの近くに置いたサーモカップルを用いて測定した。結果を図５に示す。−１７℃から３０℃へと温度が上昇するにつれて、インダクタンスは変化し約２．５％徐々に減少していく。インダクタンスは、フェライトの透磁率の変化だけでなく、ＦＳＭＡ材料の透磁率の変化からも影響を受ける。フェライトの−２０℃から３０℃の温度範囲における透磁性領域はμｒ＝１４００からμｒ＝２０００である。磁界計算（ＦＥＭＭ）では、インダクタンスに対するこの変化の効果が１．５％であると評価された。したがって、ＦＳＭＡ要素の温度変化に起因する透磁率の変化によってインダクタンスが約４％変化することをおおまかに見積もることができる。

電気抵抗の変化を利用した位置センサー（ケース２）
ＳＩＰＢＳＣ材料要素の電気抵抗は、ＳＩＰＢＳＣ材料の長さによって決まる。また、このことは位置センサーを作るために利用できる。この例の場合、ＳＩＰＢＳＣ材料の特別なケースであるＦＳＭＡについて検討する。歪みεの関数として、ＦＳＭＡ要素の電気抵抗Ｒは下記の式１で表される。

ただし、ｌは長さ、ＡはＦＳＭＡ要素の断面積、ρはＦＳＭＡ要素の抵抗率とする。式１は歪みの関数として直線である。

この現象を測定で確認した。ＦＳＭＡ要素を引張試験機にしっかりと取り付けた。検討したサンプルは長方形で、寸法は１．５ｍｍ×５．３ｍｍ×３０ｍｍであった。引張試験機を用いてＦＳＭＡ要素の長さを変え、ＦＳＭＡ要素の電気抵抗は４点測定方法で測定した。測定設定を図６に示す。参照番号４はＦＳＭＡ要素、参照番号１０は電流Ｉ、参照番号１１は測定した電圧Ｕ、参照番号１２はサーモカップル、参照番号１３は引張試験機の力が働く方向をそれぞれ表す。

電気抵抗は下記の数２によって表される。

レーザー位置センサーを用いて形状変化を測定した。その測定では、ＦＳＭＡ要素の形状が変えられた。歪み及び電気抵抗を測定した。測定結果を図７に示す。電気抵抗の計算値は測定した結果とは異なる。また、測定した電気抵抗は、上記数１から分かるように、歪みに対して直線的に依存する。

ジョイスティック（ケース３）
３．１ はじめに
この例の場合、透磁率の変化に基づき、ジョイスティックとしてＳＩＰＢＳＣ材料を使用している。このケースでは、磁性形状記憶（ＦＳＭＡ）サンプルを検討した。このケースでは、ＦＳＭＡスティックを曲げると、ＦＳＭＡスティックの両側に張力と応力が生じる。結果として、ＦＳＭＡスティックの一方の側では透磁率が高く、もう一方の側では透磁率が低くなる。これにより、ＦＳＭＡスティックの両側で磁性の非対称が起こる。ＦＳＭＡスティックの下に磁界が発生すると、磁界センサーによってＦＳＭＡスティックの周囲に非対称が見られる。サンプルの周囲の２方向に４つのセンサーをセットすることによって、ジョイスティックが２次元（２Ｄ）になる。図８にシステムの概略図を示す。ジョイスティック４はＦＳＭＡ要素、参照番号１４は磁界センサーである。

また、２次元ジョイスティクの構造は４つの異なるＳＩＰＢＳＣ要素からも作ることができ、その場合もＦＳＭＡ材料の電気抵抗の変化が動作原理となる。同様に、１次元（１Ｄ）のＳＩＰＢＳＣジョイスティックは２つの異なるＳＩＰＢＳＣ要素から作ることができる。

多様なジョイスティックテストが行われた。次の２種類の構造設計を有するジョイスティックが最も期待できる結果を示し、評価された。

１．スティック全体がＦＳＭＡ材料で形成される。

２．スティックの曲げ部の根元部分だけがＦＳＭＡ材料で形成され、残りの部分が硬質の非磁性体で形成される。

３．２ 第１ソリューションの結果
ジョイスティック全体がＦＳＭＡ材料で形成された場合、ヒステリシス効果は高かった。このシステムの寸法を図９に示す。参照番号４はＦＳＭＡ要素、参照番号１４は磁界センサーを表す。測定した曲線を図１０に示す。これらはＦＳＭＡ材料のｘ方向に測定した曲線を示す。位置はプラスチックのノギスを用いて測定した。磁界は、サンプルの周囲に対称的に配置した４つの磁気抵抗センサーを用いて測定した。磁気抵抗センサーをｘとｙの２つの垂直方向に置いた。

ヒステリシス・ループは数回測定した。その測定結果を図１１に示す。ヒステリシス・ループは概ね長い弾力性のあるスティックの曲げによるものである。スティックの先端の動きが、センサーがあるスティックの根元の状態に必ずしも影響を与えるものではない。この結果、顕著でないヒステリシスとなる。この問題は、スティックの固い方の先端を使用することで解消される。

３．３ 第２ソリューションの結果
スティックが硬質の銅製のスティックとＦＳＭＡ要素との２つの部分で構成されたジョイスティック・ソリューションによって測定を行った。磁界は磁界センサーを用いて測定した。このシステムの寸法を図１２に示す。参照番号４はＦＳＭＡ要素、参照番号１４は磁界センサー、参照番号１５は硬質の銅製のスティックを表す。

これらの測定で得た信号曲線はこの説明の冒頭でも示した。また、他のスティックについても同様の条件で検討した。図１３及び図１４に、０．７ｍｍ×１ｍｍの断面積を持つ別のＦＳＭＡスティックから得た結果を示す。このＦＳＭＡスティックは対称でなかったため、その結果、２方向間で信号の違いが明らかに表れた。ヒステリシス曲線は図１３及び図１４に図示されていない。しかし、この場合ヒステリシスは小さい。

３．４ ジョイスティックの挙動説明
ＦＳＭＡスティックの屈曲時に観察された信号は、ＦＳＭＡ材料の構造を考えれば理解できる。ＦＳＭＡスティックの屈曲時におけるマルテンサイト相の双晶変形の配向、割合、及び動きは信号の出力を観察する際に極めて重要である。ＦＳＭＡ材料におけるマルテンサイト相の双晶変形は光学顕微鏡を使用することで検討できる。第１ソリューションから得られるＦＳＭＡスティックを考察した。図１５に、考察したＦＳＭＡスティックにおけるマルテンサイト相の双晶変形の概略図を示す。双晶は、Ｘ方向と垂直な平面上に４５度の角度で並び、Ｙ方向と垂直な平面上に９０度の角度で並んでいる。顕微鏡下で撮影した写真を図１６から図２０に示す。写真から分かるように、ＦＳＭＡスティックには２つのマルテンサイトバリアントが存在する。上記バリアントは、ＦＳＭＡスティックに沿ってｃ軸を有し、明るい領域となって見える。暗い領域は、ＦＳＭＡスティックに垂直なｃ軸を有するバリアントをもつ領域である。これらの図から分かるように、安定した（屈曲していない）位置では明るい領域は暗い領域よりも範囲が広い。これは、この位置では磁界が比較的強く、上向き方向ではＦＳＭＡスティックの透磁率が比較的高いことを示す。

図１６、１７、及び１８はｙ方向に屈曲したＦＳＭＡ材料を正のｘ方向から見た場合のＦＳＭＡ材料の挙動を示す。屈曲の動きは両方のｙ方向に対して明らかである。同様の写真を負のｘ方向から撮影した（図１９と図２０）。双晶境界の動きによって２方向の信号が生成される。

速度センサー（ケース４）
ＦＳＭＡ材料が十分に高い磁界の中にあると、速度センサーとして使用できる。速度センサーの一実施形態として、例えば図３に示した、コイル（電磁石）と同じ方向に影響を及ぼす印加直流磁界を持つ装置が挙げられる。この種類の速度検知装置ではＦＳＭＡ要素の形状変化のスピードによって該装置のコイルに誘起電圧が発生する。これはＦＳＭＡ材料中の磁束密度ｂがＦＳＭＡ材料の歪みεに依存することによるものである。ＦＳＭＡ要素が薄いと、下記数３に示す関係が直線状になると想定できる。

ただし、ｈは磁界の強さ、ｂｔ（ｈ）は横断方向の磁束密度、ｂａ（ｈ）は軸方向の磁束密度、εｍａｘは最大歪みとする。

ファラデーの法則によると、誘起電圧は下記数４で表される。

ｈが測定時の定数だとすると、誘起電圧と歪みとの関係は下記数５となる。

ただし、ｗはＦＳＭＡ要素の幅、ｖは速度とする。したがって、電圧はスピードに正比例する。

４．１ 測定結果
例に挙げた速度センサーを使って測定を行った。磁気回路の空隙の中にＦＳＭＡ要素を配置した。検討した磁気回路は交流磁界を発生させる永久磁石と、誘起電圧としての速度を検知するコイルとを有する。この検討したシステムの特性を表４．１に示す。

検討した速度検知装置ではＮ＝４０００、ｗ＝５ｍｍ、ｂａ（ｈ）−ｂｔ（ｈ）＝０．４３６Ｔ、εｍａｘ＝０．０６であった。これらの値を上記数５に入力すると、ｕ＝１４５・ｖという結果が得られる。

上記測定では、異なる速度でＦＳＭＡ要素のサイズを変え、誘起電圧を測定した。最大誘起電圧と最大スピード間の線形従属を表す結果を図２１に示す。測定した誘起電圧は（上記数５で）算出したものに比べてかなり低かった。この結果は、上記数５においてなされた前提条件に問題があるためである。つまり、最も重要なことだが、過電流を考慮していないからである。また、誘起電圧とスピードとの関係は数５が予測するように線形的な関係である。図５の誤りは、スピード（速度）測定時のエラーによるものである。

加速度センサー（ケース５）
ＦＳＭＡ材料は応力・歪み曲線において顕著なヒステリシスを示す。これは、ＦＳＭＡ材料が十分に高い外的応力をかけられるまでその形状は変わらないことを意味する。必要とされる外的応力とは、双晶応力及び起こりうる外的応力に、例えば、ばねの負荷を加えた総和に等しい。この構成は、ＦＳＭＡ材料を加速度センサーとするために用いることができる。加速度センサーは、加速によって生じた動態作用が、必要とされる閾値の力あるいは応力を超えると、信号を出力する（図１ｂのσＴを参照）。そして、ＦＳＭＡ材料の形状および速度が変化する。形状変化または速度変化を、例えばケース１〜４に示した方法と異なる方法で順番に測定してもよい。このようにしてＦＳＭＡ材料はＦＳＭＡ材料を含むシステムの加速度についての情報を作るために使用される。このシステムは、加速度ａが下記の数６で求められる値の時、信号を出力する。

ただし、Ｆｔｈｒｅｓは閾値の力、ｍは移動質量とする。

図２２は、ＦＳＭＡ要素の応力−歪み曲線の測定例を示し、上記で説明した現象を表している。ロイド・インスツルメンツ社のＬＲＸ Ｐｌｕｓ引張試験機を使用して測定を行った。この場合、閾値力は５Ｎである。材料の形状は、ＦＳＭＡ要素に作用する力が５Ｎよりも小さい場合はさほど大きく変化しない。力が５Ｎを超えると、ＦＳＭＡ要素は移動し始め、高い信号出力を行う。図１ｂの合金ＢのようなＳＩＰＢＳＣ材料でできた要素は、閾値応力を超えると最大１７％までも形状が変化し、加速度センサーにも最適である。

加速度を検知する際、磁気的パラメータ（透磁率、磁化状態、または磁気抵抗等）、あるいは電気抵抗の両方が使用できる。磁気的パラメータを検知する際にコイルを使用する場合、コイルをソレノイドとしてＦＳＭＡ要素の周囲に配置する（図２９）か、図３に示すように配置する。

発電への応用（ケース６）
６．１ 理論上の背景
力学的エネルギーは、ＳＩＰＢＳＣ要素を変形させる装置において電気エネルギーへと変換させることができる。この変換動作の実現可能性を等価回路図を用いて証明する。このために、バイアスをかけるための永久磁石（ＰＭ）を使った装置を図２３の簡略化した等価電気・磁気回路で示す。

図２３では、Φｒは永久磁石の残留磁束を表し、ＲｍＰＭは永久磁石の胴体の磁気抵抗を表し、Ｒｍ０はバイアスエアエッジの磁気抵抗を表し、Ｒｍｃはコアの磁気抵抗を表し、ＲｍＦＳＭＡ（ｘ）は、ストロークｘでのＦＳＭＡスティックの磁気抵抗を表す。飽和のない通常動作向けに装置を設計すればよいので、磁気回路の飽和効果は無視する。

外力を印加することで、ＦＳＭＡスティックのストロークが変化し、ＲｍＦＳＭＡ（ｘ）も変化する。したがって、コアの磁束Φｃが変化し、コアの周囲の巻線に電圧Ｕｅを誘起する。結果として、電気抵抗ＲｗとインダクタンスＬｗを持つ巻線を接続して抵抗Ｒを負荷すると、電流ｉは回路内を流れる。誘起電圧Ｕｅの瞬時値を下記の単純な微分方程数（数７）で表される。

ただし、Ｎは巻線の巻き回数、ｔは時間とする。

下記数８に示すコアの磁束Φｃと磁気電圧Ｕｍｃが互いに依存していることが上記等価回路から得られる。

磁気回路についてキルヒホッフの法則に基づくと、下記数９のように表すことができる。

ただし、Ｎは巻線の巻き回数とする。

図２４に、Φｃの値を下げていった時の数７、８、及び９をグラフ化したものを図示する（ｄФｃ／ｄｔ＜０）。曲線１は、材料片の長さがｘ＝ｘｍａｘである場合の（材料片における）磁化容易領域に相当し、曲線２は、材料片の長さがｘ＝ｘｍｉｍである場合の磁化困難領域に相当し、曲線３は、スティックの長さがｘ（ｘｍｉｍ＜ｘ＜ｘｍａｘ）である場合の実際の磁化曲線である。

完全に拡張したＦＳＭＡスティックに相当する初期点（Ｕｃ１，Φｃ１）から始める。このスティックの姿勢では、ＦＳＭＡ材料片の透磁率は最大値、磁気抵抗ＲｍＦＳＭＡは最小値となる。この場合、磁化容易軸に沿って磁化曲線がある。圧縮力を印加すると、ＦＳＭＡスティックは圧縮し、ＦＳＭＡ材料片の磁気的特性が変わり、図２４に点線で示す実際の磁化曲線（透磁率は低下し、磁気抵抗は増加する）になる。したがって、Φｃが低下し、巻線の電圧ｕｅを誘起する。電圧ｕｅは電流ｉを発生させ、これにより磁束の減少を防ごうとする。その結果、起磁力ｉＮが現れ、ＦＳＭＡ材料片の動作基点が数８の直線よりも右へ移動する。動作基点は、磁化困難軸に相当する磁化曲線になる点（Ｕｃ２，Φｃ２）まで移動する。前記動作基点の軌道を図２４に示す。ＦＳＭＡスティックは点（Ｕｃ２，Φｃ２）で完全に圧縮され、最小透磁率を有する。したがって、磁気抵抗ＲｍＦＳＭＡは最大値となり、同時に磁束Φｃは最小値になる。ＦＳＭＡスティックの拡張を開始すると、磁束Φｃの値は増加し、作用は反対方向へ向かう。前記動作基点は数８の直線よりも左へ移動し、初期点（Ｕｃ１，Φｃ１）へ戻る。

図２５は動作基点の形跡の下降分岐線と上昇分岐線を示す。図２５において、曲線１は材料片の長さがｘ＝ｘｍａｘである場合の（材料片における）磁化容易領域に相当し、曲線２は、材料片の長さがｘ＝ｘｍｉｍである場合の磁化困難領域に相当する。

磁界からの誘導により巻線で発生した瞬間電力Ｐｅは、数７及び数８から下記数１０のように求められる。

１サイクル中に巻線の電気回路に伝達された電気エネルギーＷｅの値は、数１０から下記数１１のように求められる。

ただし、Ｔはサイクル周期とし、ＶＦＳＭＡ、ＨＦＳＭＡ、ＢＦＳＭＡはそれぞれＦＳＭＡスティックの容積、磁界力、磁束密度とする。

したがって、分岐線間の破線部分は１サイクル中の巻線の電気回路に伝達された電気エネルギーＷｅに対応する。明らかなように、このエネルギーはＦＳＭＡスティックの力学的運動によって生じる（圧縮及び拡張）。図２５の格子模様の部分がＷｅの理論上の最大可能値を決めている。

下記数１２に基づき、ＦＳＭＡスティックに生成される平均電力ＰＥＡＶは求められる。

ただし、Ｐｅａｖ及びＷｅＦＳＭＡはそれぞれＦＳＭＡ材料の特定の平均電力及び磁気サイクルエネルギーである。

ｗＦＳＭＡ及びｐａｖの値は下記数１３によって求められる。

ただし、ｆ＝1/Ｔはサイクル周波数とする。

上記数１２及び数１３は、ＦＳＭＡ装置の発電実行可能性を評価するための基本数である。これらは最大電力の場合、ＦＳＭＡ材料の動作基点が最大サイクルエネルギーを持つ領域内で選ばれなければならないことを示す。

上記の分析は電気エネルギーを生成し、永久磁石が使用できるという前提で行っている。永久磁石が欠けたり、電気エネルギーを力学的エネルギーに変換する場合、同じ結果が得られることを証明するのは簡単である。主な相違点はＦＳＭＡ材料の動作領域の選択方法及び設計方法にある。

６．２ 実験結果
例として、あるＦＳＭＡ材料の磁化曲線を図２６に示す。

磁気サイクルエネルギーの限界値ＷｅＦＳＭＡｌｉｍは磁気容易軸及び磁気困難軸間の領域で決まる（異方性エネルギー）。数値の積分によって次の結果となる。

例えば、周波数ｆ＝５０Ｈｚだと仮定すると、ＦＳＭＡ材料の限界平均電力出力密度ｐｅａｖｌｉｍは下記数１３によって次のような値になる。

ＦＳＭＡ材料は質量密度がγＦＳＭＡ＝８０００ｋｇ／ｍ３であるため、限界出力質量密度は５０Ｈｚで１．１６ｋＷ／ｋｇとなる。実際の装置では、応用例にもよるが、限界サイクルエネルギーの部分のみが使用されると考えられる（図２５）。電気エネルギーの部分も巻線抵抗及び磁気回路中に放散される（過電流及びヒステリシス損）。したがって、実際の電力密度はもっと低い。

電力発電を実証するため、図２７に従ってテストを行う。テストで使用する装置は永久磁石（ＰＭ）バイアスを有する。この装置の巻線は２本の平行な分岐線を有する。各分帰線は１０６回巻き、抵抗は１２．６オームである。端子電圧は負荷抵抗Ｒ＝１．０オーム時に測定し、この過渡事象を図２８に示す。過渡事象の間、ＦＳＭＡスティックは外力によって完全に圧縮され、その後バイアス領域によって自由に拡張する。

ＦＳＭＡスティックの体積は８０ｍｍ３である。過渡電圧に基づき、特定のエネルギーサイクルｗｅＦＳＭＡは、３．６ｋＪ／ｍ３であり、最大磁束密度および最小磁束密度の違い（磁束密度変動）はおよそ０．１５Ｔである。したがって、得られた結果は理論上の限界値のたった２％である。この低い値の要因は、試験装置の固体の磁気回路だけでなく、ＦＳＭＡスティック（太さ１．５ｍｍ）と磁気コアの間に比較的大きなエアエッジ（０．２ｍｍ）にある。また、巻線の電気抵抗もサイクルの値に影響を及ぼす。

結論として、ＦＳＭＡ装置が電力を発生する可能性が実測によって証明されたと言える。これは、ＦＳＭＡ装置の電気機械エネルギー変換が可逆的であることを意味する。

ＳＩＰＢＳＣ材料の磁化曲線を示す概略図である。 合金Ａ及び合金Ｂと呼ばれる２つのＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ合金における圧縮応力−歪み曲線と、ε＝０％、３％、及び６％変形した後の合金Ａ片を示す概略図である。 インダクターの空隙内でサンプルを上下に加圧及び押圧する際の動作の端点を示す図である。 検討したシステムの断面を示す概略図である。 磁界のインダクタンス−位置曲線を示す図である。 インダクタンスの温度に対する依存性を示す図である。 電気抵抗−歪み測定における測定システムを示す図である。 歪みの関数としてＦＳＭＡ要素の電気抵抗の測定結果を示す図である。 簡略化したジョイスティックを示す概略図である。 第１のジョイスティック・ソリューションの寸法を示す図である。 スティックがｘ方向に曲げた場合に両方向の磁界センサーから得られる信号電圧を示す図である。 第１のジョイスティック・ソリューションのヒステリシス・ループを示す図である。 ２番目に説明したジョイスティック・ソリューションの正確な寸法を示す図である。 スティックをｘ方向に曲げた場合における両方向の信号電圧を示す図である。 スティックをｙ方向に曲げた場合に両方向の磁界センサーから得られる信号電圧を示す図である。 検討したＦＳＭＡスティックにおける双晶変形（マルテンサイト相の帯）を示す概略図である。 スティックを曲げていない場合の正のｘ方向におけるＦＳＭＡ材料の双晶変形を示す図である。 材料を正のｙ方向に曲げた場合の正のｘ方向におけるＦＳＭＡ材料の双晶変形を示す図である。 材料を負のｙ方向に曲げた場合の正のｘ方向におけるＦＳＭＡ材料の双晶変形を示す図である。 材料を曲げていない場合の正のｙ方向におけるＦＳＭＡ材料の双晶変形を示す図である。 材料を曲げた場合正のｙ方向におけるＦＳＭＡ材料の双晶変形を示す図である。 ピーク速度の関数としてピーク誘起電圧の測定結果を示す図である。 加速度センサーとして使用されるＦＳＭＡ要素の応力−歪み曲線の例を示す図である。 発電用ＦＳＭＡ装置の簡略化した等価回路を示す図である。 Φｃの値を下げていった時のＦＳＭＡ装置の磁気回路数をグラフ化した図である。 ＦＳＭＡ装置の動作サイクルを示す図である。 ＦＳＭＡ材料（Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ）の磁化曲線を示す図である。 ＦＳＭＡ装置の電気エネルギー生成を示すテスト図である。 （ＦＳＭＡスティックが圧縮、拡張される）１オームの負荷抵抗が１オームの時のＦＳＭＡ装置の過渡端子電圧を示す図である。 第１の例の測定設定を示す図である。 上記第１の例の測定結果を示す図である。 第２の例の測定設定を示す図である。 上記第２の例の測定結果を示す図である。

Claims (24)

1. 電気的パラメータ又は磁気的パラメータ及びこれらに類似したパラメータを検知するための方法、及び電気的パラメータ又は磁気的パラメータ及びこれらに類似したパラメータを利用するための方法であって、
   構造上の変化に基づく応力の影響を受けるパラメータ（Stress-influenced parameters based on structural changes）を有する材料片を取り出し、
   前記材料の形状変化をもたらす力を前記材料上に導き、
   前記材料における電気的パラメータ又は磁気的パラメータ及びこれらに類似したパラメータの変化を測定し、
   更なる動作を制御するために前記測定したパラメータを利用することを含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法であって、
   前記材料上に導かれた力は、加圧、伸長、屈曲、又は捻り、或いはこれらの動作を２つ以上組み合わせた動作によって前記材料を変形させることを目的とすることを特徴とする方法。
3. 請求項１記載の方法であって、
   前記の力は力学的動作又は磁場によって影響されることを特徴とする方法。
4. 請求項１記載の方法であって、
   前記材料は、位置、速度、又は加速度、或いはこれらに類似した特性を検知するためのセンサーとして使用されることを特徴とする方法。
5. 請求項１記載の方法であって、
   前記材料は、エネルギー生産のために使用されることを特徴とする方法。
6. 請求項５記載の方法であって、
   前記材料は、例えば時間に依存させる方法で、制御可能な消振（dumping）を目的として使用されることを特徴とする方法。
7. 請求項１記載の方法であって、
   前記材料は、少なくとも２つの双晶変形又は２つの磁気的に異なる位相からなる、対になった下部構造を示すことを特徴とする方法。
8. 請求項１記載の方法であって、
   前記材料は、強磁性形状記憶合金（ＦＳＭＡ）であることを特徴とする方法。
9. 請求項１記載の方法であって、
   例えばＮｉ−Ｍａ−Ｇａ系材料等のホイスラー合金から主に構成される材料が使用することを特徴とする方法。
10. 請求項１記載の方法であって、
    Ｃｏ−Ｎｉ系材料から主に構成される材料を使用することを特徴とする方法。
11. 請求項１記載の方法であって、
    磁気的に異なる位相は、オーステナイト相及びマルテンサイト相であり、前記材料を変形させることで該位相の量をそれぞれ変化させることを特徴とする方法。
12. 請求項１記載の方法であって、
    電気抵抗を含む前記材料の電気的特性、又は前記材料の磁化、透磁率、及び／又は磁気抵抗を含む上記材料の磁気的特性を観察することを特徴とする方法。
13. 電気的パラメータ又は磁気的パラメータ及びこれらに類似したパラメータを検知するための装置、及び電気的パラメータ又は磁気的パラメータ及びこれらに類似したパラメータを利用するための装置であって、
    構造変化に基づく応力の影響を受けるパラメータ（Stress-influenced parameters based on structural changes）を有する材料片、
    前記材料の形状変化をもたらす力を前記材料上に導くためのデバイス、
    前記材料における電気的パラメータ又は磁気的パラメータ及びこれらに類似したパラメータの変化を測定するためのデバイス、および、
    更なる動作のために前記測定したパラメータを利用するためのデバイスを含むことを特徴とする装置。
14. 請求項１３記載の装置であって、
    前記材料片は、少なくとも２つの双晶変形又は２つの磁気的に異なる位相からなる、対になった下部構造を示すことを特徴とする装置。
15. 請求項１３記載の装置であって、
    前記材料片は、強磁性形状記憶合金（ＦＳＭＡ）であることを特徴とする装置。
16. 請求項１４記載の装置であって、
    磁気的に異なる位相は、オーステナイト相及びマルテンサイト相であり、前記材料を変形させることで該位相の量をそれぞれ変化させることを特徴とする装置。
17. 請求項１３記載の装置であって、
    前記装置は、位置、速度、又は加速度、或いはこれらに類似した特性を検知するためのセンサーであることを特徴とする装置。
18. 請求項１３記載の装置であって、
    前記装置は、ジョイスティックであることを特徴とする装置。
19. 請求項１３又は１７記載の装置であって、
    前記装置は、エアバッグの応用例における加速度を観測するセンサーであることを特徴とする装置。
20. 請求項１３記載の装置であって、
    前記装置は、前記材料の変形によって電気エネルギーを生成することを目的とするものであることを特徴とする装置。
21. 請求項２０記載の装置であって、
    前記材料をダンピングする目的で、前記電気エネルギーを制御可能に使用するためのデバイスを含むことを特徴とする装置。
22. 請求項１３記載の装置であって、
    前記装置は、機械、エンジン、建造物、車両、あるいは航空機における振動を制御するためのデバイスを含むことを特徴とする装置。
23. 請求項１３記載の装置であって、
    前記材料片は、例えばＮｉ−Ｍａ−Ｇａ系材料等のホイスラー合金から主に構成されることを特徴とする装置。
24. 請求項１３記載の装置であって、
    前記材料片は、Ｃｏ−Ｎｉ系材料から主に構成されることを特徴とする方法。

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