JP2641741B2

JP2641741B2 - 力学量センサ

Info

Publication number: JP2641741B2
Application number: JP19879388A
Authority: JP
Inventors: 正行若宮; 博明大林
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1988-08-11
Publication date: 1997-08-20
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JPH0249132A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、力学量センサに係り、特にアモルファス金
属または合金の磁歪効果を利用して荷重を検出する力学
量センサに関する。

（従来の技術）最近、アモルファス状態の金属および合金が、優れた
軟磁性材料として注目されており、機械的強度が高く、
大きな磁歪効果を持つことから、力学量（機械量）−電
気量変換特性を利用した力学量センサに使用するためい
ろいろな研究が重ねられている。

その１つに、アモルファス合金に外部から圧力が与え
られると応力−磁気効果（磁歪効果）により、その磁気
特性が変化するのを利用し、この変化を検出コイルのイ
ンピーダンス変化として電気的に検出するようにしたも
のが提案されている（特開昭60−88336号公報）。

このセンサは、第８図に示すように、応力磁気効果を
有するアモルファス磁気合金円板51を、円柱状の軟磁性
体52に配設された円環状の溝53の開口面に当接させると
共に、軟磁性体52の溝53内にコイル54を巻装してなるも
ので、この溝53内には一端が溝53の底部に接し他端が軟
磁性体52の溝53の開口面の位置にくるように配設された
非磁性リング55が接着されている。そしてこのセンサは
容器56とアモルファス磁性合金円板51に圧力を伝達する
透過口57aを有する蓋部57bとで構成される空間内に配置
されている。ここでは圧力が油圧導入口58に加わると、
透過口57aを介して圧力がアモルファス磁性合金円板51
に加わり、これを軟磁性体52の溝53内に押し下げ、アモ
ルファス磁性合金円板51内に応力が発生する。この内部
応力の発生で応力磁気効果によりアモルファス磁性合金
の透磁率が減少する。この透磁率の変化をコイル54を用
いてインダクタンスの形で検出し油圧等の圧力を測定す
るようになっている。

このようなセンサでは、非磁性リング55の厚さを調整
することにより、たわみ変形する部分が変化し、測定圧
力範囲を調整することができる。従って、非磁性リング
55を入れ換えるだけで、測定圧力範囲の異なる圧力セン
サとしての使用が可能となる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、このセンサでは、透過口57aを介して
アモルファス磁性合金円板51に加えられる圧力を検出す
るため、流体の圧力しか測定できず、同じ力学量であり
ながら、荷重のような固体の圧力は測定できないという
問題があった。

また、それぞれ独立に形成されたコイルとアモルファ
ス磁性合金円板51と軟磁性体52とによって磁気回路が構
成されているため、繰り返し応力がこれらの部材に印加
された場合、特にアモルファス磁性合金円板51と軟磁性
体52との相対位置変動誘起され、力学量検出に大きな誤
差を生じる要因となる。

さらに、アモルファス磁性合金円板以外に軟磁性体が
必要であるため、大形となり、設置スペースが増大する
という問題もあった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、小形で
高精度の力学量センサを提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）そこで本発明では、アモルファス磁性金属またはアモ
ルファス磁性合金からなる磁歪材を上部治具と下部治具
との間に挾持させてなる起歪部と、励磁コイルと検出コ
イルとからなるコイル部とによって力学量センサを構成
し、、前記磁歪材に厚さ方向に印加される圧力により透
磁率の変化を前記磁歪材とコイルとから形成された磁気
回路におけるコイルのインダクタンス変化として検出す
るようにして、さらに、アモルファス磁性金属またはア
モルファス磁性合金からなる磁歪材と、上部治具と下部
治具との間は、熱硬化性接着材によって固着されてい
る。

また、本発明では、アモルファス磁性金属またはアモ
ルファス磁性合金からなる磁歪材を、上部治具と下部治
具との間に挾持されてなる起歪部が中央に穴のあいたド
ーナッツ形状のリングを構成してなり、コイルがこのリ
ングの周りに巻回されている。

（作用）上記構成により、荷重などの応力が印加されると、磁
歪部に圧縮応力が印加され、アモルファス磁性金属また
はアモルファス磁性合金からなる磁歪材の面内には張力
が印加された内部応力状態となる。この内部応力状態に
よって生じる磁気異方性により、磁気回路方向の透磁率
が変化し、この変化をコイルのインピーダンス変化とし
て検出することができる。このため、前述したような従
来の力学量センサのような軟磁性体は不要となり、構造
が簡単で小形の力学量センサを得ることができる。ま
た、繰り返し応力がこれらの部材に印加された場合に
も、精度の低下を生じることなく測定することが可能で
あり、さらに、本発明では、アモルファス磁性金属また
はアモルファス磁性合金が面内に圧縮歪を受けると、一
般に厚み方向に磁気異方性が生じるため、予め、厚さ方
向の磁気異方性エネルギーを十分に高くとれば、磁気異
方性の方向は変化しにくくなり、圧力により磁気特性の
応力感度が低下するという事実に着目し、線膨脹係数の
差による歪をあらかじめ磁歪材に加えておくようにし、
磁気異方性の方向変化による測定誤差を防止している。
すなわち、アモルファス磁性金属またはアモルファス磁
性合金からなる磁歪材は、上部治具と下部治具との間
を、熱硬化性接着剤によって固着される際、線膨脹係数
の差によって歪を受け、厚み方向に大きな磁気異方性が
生じる。この結果圧力による磁気特性の応力感度が低下
し、見かけ上のリニアリテイが向上する。従って、高精
度の力学量センサを得ることが可能となる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細
に説明する。

実施例１本発明の第１の実施例の荷重センサは、第１図（ａ）
に構造説明図、第１図（ｂ）に斜視図、第１図（ｃ）に
その要部説明図を示すように、厚さ30μｍのドーナッツ
状の鉄系アモルファス磁性合金（Fe_0.95Co_0.05）₇₉Si
_12.5Ｂ_8.5からなる磁歪材１を厚さ0.5mmのチタン合金か
らなる上部治具２および下部治具３で挾み、熱硬化性接
着剤Ｓで固定してなる起歪部と、この上部治具２および
下部治具３の外面の一部に形成された溝部Ｖに励磁コイ
ルと検出コイルとを巻回して形成したコイル部４とから
構成されており、磁気回路が磁歪材１に沿って形成され
ている。

そしてこの下部治具３は上面に、磁歪材を装着可能な
凹部31を有し、さらに上部治具２は下面にこの凹部31に
嵌合可能な凸部21を有し、磁歪材を挾んだ状態で熱硬化
性接着剤Ｓによってこれらが一体的に固着されている。

またこの鉄系のアモルファス磁性合金の線膨脹係数
は、８×10^-6、チタン合金からなる上部治具２および下
部治具３の線膨脹係数は、９×10^-6程度である。そして
これらは接着に際し、150℃程度の加熱工程を経、アモ
ルファス磁性合金からなる磁歪材は、第２図に示すよう
に、線膨脹係数差による歪を受け、使用温度を30℃とす
ると、（150−30）×（９×10^-6−８×10^-6）＝130×10^-6strain の面内歪を受け、厚み方向に磁気異方性を生じる。

すなわち、アモルファスより大きい線膨脹を持つ部
材に使用環境よりも高温度で接着することにより、
（接着温度−使用環境下温度）×線膨脹差分の歪を与え
るものである。このようにして形成された力学量センサ
における加重印加時におけるコイルのインダクタンス変
化特性すなわち荷重−インダクタンス特性よおび磁場−
インダクタンス（Ｂ−Ｈ）特性を第３時（ａ）および第
４図（ａ）に示す。また、比較のために150℃の加熱工
程を付さずに形成した同様の力学量センサにおける荷重
−インダクタンス特性およびＢ−Ｈ特性を第３図（ｂ）
および第４図（ｂ）に示す。これらの比較からも、本発
明実施例の力学量センサによればリニアリティが極めて
良好となっていることがわかる。またこの力学量センサ
によれば零点のばらつきもなく良好なセンサ特性を得る
ことができる。

さらに、この加重センサでは、直流成分と交流成分と
の両方の荷重を高感度かつ高精度で検出することが可能
であり、アモルファス磁性合金とコイルとの磁気回路か
らなる簡単なトランスジューサ構造であるため、安価な
荷重センサを供給することができる。また、第３図
（ａ）および第４図（ａ）からもわかるように、低荷重
印加領域での変化が極めて大きいため、荷重スイッチと
して特に優れている。また、測定荷重範囲についてもア
モルファス磁性合金の受圧部面積の変更により調整可能
である。

なお、実施例では、この鉄系のアモルファス磁性合金
と、上部治具２および下部治具を構成するチタン合金と
の線膨脹係数の差は、１×10^-6程度であったが、この差
は±２×10^-6以下にするのが望ましい。この線膨脹係数
の差が±２×10^-6以上であると、インダクタンス値は複
雑な変化を示し、センサ特性が低下する。

また、実施例では、磁歪材は一枚のアモルファス磁性
合金で構成し、熱硬化性接着剤によって上部治具と下部
治具を固着したが、上部治具と下部治具を磁歪材を挾ん
で強固に嵌合させることによって起歪部を構成しても良
い。

実施例２本発明の第２の実施例の荷重センサは、第５図に要部
説明図を示すように、圧さ30μｍのドーナッツ状を有す
る５枚の鉄系アモルファス磁性合金（Fe_0.95Co_0.05）₇₉
Si_12.5Ｂ_8.5からなる磁歪材10を、圧さ0.5mmの黄銅から
なる上部治具20および下部治具30で挾み、一体的に固着
して形成したもので、他の部分については実施例１に示
した荷重センサと同様に構成されている。同一部材には
同一符号を付した。

この下部治具30は上面に、磁歪材を装着可能な凹部32
を有し、さらに上部治具20は下面にこの凹部32に強固に
嵌合可能な凸部22を有し、磁歪材を挾んだ状態で嵌合固
着されている。

また、ここではコイル部４と磁歪材10とで、完全な閉
磁路を形成するように、アモルファス磁性合金を５枚重
ねて磁歪材を構成している。

この荷重センサの荷重−インダクタンス特性を第６図
（ａ）および第６図（ｂ）に示す。この時の測定条件は
測定周波数は約0.05Hz、電流はそれぞれ±100mA,±10mA
とした。

さらに、上部治具20および下部治具30を黄銅に替え
て、ステンレス（SUS304）で構成し、他の部分は全く同
様にして構成した場合の荷重センサの荷重−インダクタ
ンス特性を第７図（ａ）に示す。この時の測定条件は測
定周波数は約0.05Hz、電流は±10mAとした。また、この
荷重センサのＢ−Ｈ特性を電流1A,0.1A,10mAと変更した
場合について測定した結果を第７図（ｂ）乃至第７図
（ｄ）に示す。なお、このときコイル部４は、70ターン
の１次コイルの上に70ターンの２次コイルを巻回して使
用するものとする。

これらの測定結果からもわかるように、アモルファス
磁性合金の厚み方向の圧縮により、透磁率が変化し、イ
ンダクタンスの変化として高精度に荷重を測定すること
ができる。

なお、実施例１では磁歪材と上部治具および下部治具
との線膨脹係数の差は±１×10^-6程度とし、この差を積
極的に利用し、接着による厚み方向の磁気異方性エネル
ギーを十分に高くとることにより磁気異方性の方向が変
化しにくくなるようにしたが、実施例２の場合は、温度
ドリフトを低減するため、磁歪材と上部治具および下部
治具との線膨脹係数はほぼ等しくなるようにするのが望
ましい。

なお、前記実施例では、飽和磁性定数が正の値を有す
る鉄系アモルファス磁性合金を磁歪材として用いたが、
この他飽和磁性定数が負の値を有するコバルト系アモル
ファス磁性合金など、他のアモルファス磁性金属あるい
はアモルファス磁性合金を用いても良い。

さらに、磁歪材を挾持する上部治具および下部治具と
しては、チタン合金、黄銅、ステンレスを用いたが、剛
性があり、かつ磁性を持たない材料であれば他の金属、
または石英、アルミナ等のセラミックスあるいは樹脂な
どでも良い。

加えて、実施例では、荷重（いわゆる正の荷重）を加
える場合にその計測が可能な力学量センサについて説明
したが、いわゆる荷重の計測も可能である。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明の力学量センサによ
れば、アモルファス磁性金属またはアモルファス磁性合
金からなる磁歪材を上部治具と下部治具との間に挾持さ
せてなる起歪部と、励磁コイルと検出コイルとからなる
コイル部とによって力学量センサを構成し、前記磁歪材
に厚さ方向に印加される圧力による透磁率の変化を前記
磁歪材とコイルとから形成された磁気回路におけるコイ
ルのインダクタンス変化として検出するようにしている
ため、構造が簡単で、直流成分および交流成分の両方の
検出が可能な小形の力学量センサを得ることができる。
また、繰り返し応力がこれらの部材に印加された場合に
も、治具と磁歪材との相対的位置変動が生じることがな
いので精度の低下を生じることなく測定することが可能
であり、さらに、本発明では、アモルファス磁性金属ま
たはアモルファス磁性合金からなる磁歪材と、上部治具
と下部治具との間は、熱硬化性接着剤によって加熱工程
を経て固着されているため、圧力による磁気特性の応力
感度が低下し、見かけ上のリニアリテイが向上し、高精
度の力学量センサを得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】第１図（ａ）乃至第１図（ｃ）は、それぞれ本発明の第
１の実施例の荷重センサの構造説明図、斜視図、および
要部説明図を示す図、第２図は加熱工程によって磁歪材
が受ける歪を示す説明図、第３図（ａ）は第１図に示し
た荷重センサのインダクタンスの変化特性を示す図、第
４図（ａ）は同荷重センサのＢ−Ｈ特性を示す図、第３
図（ｂ）および第４図（ｂ）はそれぞれ磁歪材と上部治
具および下部治具との間を加熱固着しなかった場合のイ
ンダクタンスの変化特性およびＢ−Ｈ特性を示す比較
図、第５図は本発明の第２の実施例の荷重センサを示す
図、第６図（ａ）および第６図（ｂ）は本発明の第２の
実施例の荷重センサの荷重−インダクタンス特性を示す
図、第７図（ａ）は本発明の第２の実施例の荷重センサ
の上部治具および下部治具をステンレスで構成した場合
の荷重センサの荷重−インダクタンス特性を示す図、第
７図（ｂ）乃至第７図（ｄ）はこの荷重センサのＢ−Ｈ
特性を電流を変化させて測定した結果を示す図、第８図
は従来例の荷重センサを示す図である。１……磁歪材、２……上部治具、３……下部治具、４…
…コイル部、Ｓ……熱硬化性接着剤、Ｖ……溝部、31…
…凹部、21……凸部、10……磁歪材、20……上部治具、
30……下部治具、22……凸部、32……凹部、51……アモ
ルファス磁性合金円板、52……軟磁性体、53……溝、54
……コイル、55……非磁性リング、56……容器、57a…
…透過口、57b……蓋部、58……油圧導入口。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アモルファス磁性金属またはアモルファス
磁性合金からなる磁歪材を上部治具と下部治具との間に
挾持すると共に熱硬化性接着剤によってこれらを一体的
に固着してなる起歪部と、この磁歪材との間で閉磁路を
構成するコイル部とを具備し、前記磁歪材に厚さ方向に印加される圧力による透磁率の
変化を前記磁歪材とコイルとから形成された磁気回路に
おけるコイルのインダクタンス変化として検出するよう
にしたことを特徴とする力学量センサ。
【請求項２】前記起歪部は、中央に穴のあいたドーナッ
ツ形状のリングを構成してなり、前記コイル部がこのリ
ングの周りに巻回されていることを特徴とする請求項
（１）に記載の力学量センサ。