JP3561074B2 - フェライト焼結体及びこれを用いた圧力センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術範囲】
本発明は、フェライト焼結体及びこれを用いた圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
圧力センサは、温度、変位、可視・赤外光センサと並んで、特に開発要求の大きなセンサの一つであり、種々の方式が開発されている。
【0003】
この一つとして、Ni−Zn系等のフェライト材料の磁歪を利用した圧力センサも提案されている(特開昭49−28383号、特公52−6105号公報等参照)。即ち、フェライト材料は圧力が加わるとインダクタンスLや透磁率μが変化する特性(磁歪特性)を有していることから、フェライト材料に圧力を加えた時の磁歪量を測定することによって圧力を検出し、圧力センサとすることができるのである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の一般的なフェライト材料を用いた圧力センサでは、圧力と磁歪量の関係が可逆的ではなく、また温度特性(温度変化に伴う磁気特性の変化率)が高いこともあって、精度の高い圧力センサとすることができなかった。
【0005】
そこで、本発明は、圧力と磁歪量の関係が可逆的であり、温度特性の低いフェライト材料を得て、精度の高い圧力センサを得ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記問題点に鑑みて本発明は、主成分の組成比が、酸化物換算で50〜65モル%のFe2O3と、25〜40モル%のZnOと、5〜20モル%のNiOからなり、ZnO/NiOのモル比が2〜3であり、これら主成分100重量部に対して0.5〜5重量部のSiO2と、0.1〜3重量部のTiO2を添加してなり、正の磁歪を有することを特徴とするものである。
【0007】
また、上記フェライト焼結体により圧力検出素子を形成し、該圧力検出素子に圧力を伝達する手段と、圧力検出素子の磁歪量を検出する手段を有することを特徴とするものである。
【0008】
即ち、圧力センサとして好適に用いるためには、圧力と磁歪量の関係が可逆的であるフェライト材料が必要となる。そこで、種々実験を行った結果、負の磁歪を有する(圧力を加えた時にインダクタンスLや透磁率μが低下する)フェライト材料では、圧力と磁歪量の関係が不可逆的となることを避けられなかった。これに対し、正の磁歪を有する(圧力を加えた時にインダクタンスLや透磁率μが増加する)フェライト材料では、磁歪の極大点までは圧力と磁歪量の関係が可逆的となるが、極大点を超えると不可逆的となることがわかった。
【0009】
したがって、正の磁歪を有するフェライト材料を用いて、磁歪量の極大点までの間で使用すれば圧力と磁歪量の関係を可逆的とすることができ、しかも磁歪量の大きなフェライト材料を用いれば圧力に対する磁歪量の変化が直線的であることから精度の高い圧力センサとできることがわかった。
【0010】
そこで、本発明では、Fe2 O3 の含有量を50モル%以上とし、ZnO/NiOのモル比を2〜3とし、TiO2 とSiO2 を添加することによって、正の磁歪を有し、かつ磁歪量を大きくするようにした。
【0011】
また、圧力センサとしての検知感度を高めるためには、透磁率μ自体が大きい方が好ましく、この点から、本発明ではZnO/NiOのモル比を2〜3として透磁率μを大きくした。
【0012】
さらに、高精度の測定を行うためには温度特性(変化に対する磁気特性の変化率)を低くする必要があり、本発明ではSiO2 の添加によって温度特性を低くした。
【0013】
その他、本発明の組成範囲を限定した理由は以下の通りである。
【0014】
Fe2 O3 を50〜65モル%としたのは、50モル%未満では透磁率が低下するとともに磁歪が負となり、65モル%を超えると温度特性が高くなるとともに焼結性が悪くなるためである。ZnOを25〜40モル%としたのは、25モル%未満では透磁率が低下し、40モル%を超えると温度特性が高くなるためである。NiOを5〜20モル%としたのは、5モル%未満では温度特性が高くなり、20モル%を超えると透磁率が低下するとともに磁歪が負となるためである。ZnO/NiOのモル比を2〜3としたのは、2未満では磁歪が負となり、3を超えると温度特性が高くなるためである。
【0015】
またSiO2 を0.5〜5重量部としたのは、0.5重量部未満では磁歪が負となるとともに温度特性が高くなり、5重量部を超えると焼結性が悪くなるためである。TiO2 を0.1〜3重量部としたのは、0.1重量部未満では磁歪が負となり、3重量部を超えると焼結性が悪くなるためである。
【0016】
さらに、上記主成分及び添加成分以外の成分としては、主成分100重量部に対して、CuO,Bi2O3を各々1重量部以下、MnOを0.15重量部以下、Al2O3,MgO,CaO,K2O,Sを各々0.05重量部以下の範囲で含んでいても良い。
【0017】
以上のような本発明のフェライト材料の製造方法は、上記組成範囲となるように主成分の各原料を調合し、ボールミル等で粉砕混合した後800〜900℃で仮焼し、この仮焼粉体にSiO2 、TiO2 を添加した後ボールミルにて粉砕し、バインダーを加えて造粒し、所定形状に成形した後、950〜1250℃で焼成することによって得ることができる。
【0018】
【実施例】
実施例1
以下本発明の実施例を説明する。
【0019】
Fe2 O3 、ZnO、NiOの主成分を表1に示す割合となるように秤量し、振動ミルにて混合した後800〜900℃で仮焼した。この仮焼粉末100重量部に対し、SiO2 、TiO2 を表1に示す割合で添加し、ボールミルにて粉砕し、バインダーを加えて造粒した後、トロイダルコア及び角柱状コアの形状に成形し、表1に示す焼成温度で焼成した。焼成後、角柱状コアは研削加工して3×3×15mmの寸法とした。
【0020】
得られたトロイダルコアに、直径0.2mmの被膜銅線を7回巻いて、100kHzで透磁率μを測定し、温度特性として−20〜80℃間の透磁率μの変化率(ppm/℃)を測定した。また、角柱状コアにも同様の巻線を行って長さ方向に50kgの荷重を加えた時のインダクタンスLの変化率ΔL/L(%)を磁歪とした。これらの結果は表2に示す通りである。
【0021】
この結果より、組成が本発明の範囲外であるもの(No.1〜3、5〜8、13〜16、19)は、透磁率μが低かったり、磁歪が負であったり、温度特性が高いなどの不都合があった。
【0022】
これらに対し、本発明の範囲内のもの(No.9〜12、17、18)では透磁率μが600以上と高く、磁歪が正であり、温度特性が110ppm/℃以下と低いことがわかる。したがって、本発明の範囲内のフェライト材料を用いれば、圧力と磁歪量の関係を可逆的とすることができ、感度を高くし、温度依存性を低くできることから、高精度の圧力センサとすることができる。
【0023】
【表1】
【0024】
【表2】
【0025】
実施例2
次に、上記表1、2中のNo.6に示す負の磁歪を有するフェライト材料を用いて、荷重とインダクタンスLの変化率ΔL/L(%)との関係を調べた。その結果を図2に示すように、荷重を増加する過程と減少する過程で両者の関係が不可逆的となり、高精度の圧力センサとして使用できないことがわかった。
【0026】
また、表1、2中のNo.16に示す正の磁歪を有するフェライト材料を用いて、同じ関係を調べたところ、図3に示すように、磁歪の極大点を超えると不可逆的な関係となった。
【0027】
これに対し、図4に示すように、正の磁歪を有するフェライト材料を用いて、磁歪の極大点以下の範囲で荷重を加えたところ、荷重と磁歪量(インダクタンスLの変化率ΔL/L)の関係が可逆的となった。したがって、正の磁歪を有するフェライト材料を用いて、磁歪の極大点以下の範囲で使用すれば、精度の高い圧力センサが得られることがわかる。
【0028】
実施例3
次に、本発明のフェライト材料を用いた圧力センサを図によって説明する。
【0029】
図1に示すように、本発明のフェライト材料を柱状体に形成して圧力検出素子1とし、その周囲に巻線2を施しておいて、基体3上に載置する。また、圧力検出素子1の一方端側には、圧力伝達手段として荷重受部材4を備えている。さらに、上記巻線2にはLCRメータ等の磁歪量検出手段5を接続してあり、この磁歪量検出手段5で圧力検出素子1の透磁率μ及び/又はインダクタンスLを測定し、得られた信号を解析部6で圧力に変換して処理し、表示するようになっている。
【0030】
いま、荷重受部材4に圧力が加わった場合、これによって圧力検出素子1の透磁率μ及び/又はインダクタンスLが変化し、この変化を磁歪量検出手段5で検知し、解析部6で圧力に変換して、圧力の大きさを表示することができる。
【0031】
なお、図1では一個の圧力検出素子1を用いたが、複数の圧力検出素子1で荷重受部材4を支持する構造とし、各圧力検出素子1に磁歪量検出手段5を接続しても良い。
【0032】
また、荷重受部材4は、圧力検出素子1に悪影響を及ぼさないように非磁性材料を用い、また圧力を正確に伝達できるように弾性率の小さい材料を用いることが好ましい。
【0033】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、主成分の組成比が、酸化物換算で50〜65モル%のFe2 O3 と、25〜40モル%のZnOと、5〜20モル%のNiOからなり、ZnO/NiOのモル比が2〜3であり、これら主成分100重量部に対して0.5〜5重量部のSiO2 と、0.1〜3重量部のTiO2 を添加することによって、大きな正の磁歪を有し、透磁率が高く、温度特性の低いフェライト材料を得ることができる。そのため、圧力と磁歪との関係が可逆的であり、圧力センサとして用いた場合に感度、精度の優れたフェライト材料を得ることができる。
【0034】
また、このフェライト材料により圧力検出素子を形成し、該圧力検出素子に圧力を伝達する手段と、圧力検出素子の磁歪量を検出する手段を備えて圧力センサを構成すれば、精度の高い圧力センサを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧力センサを示す概略図である。
【図2】負の磁歪を有するフェライト材料に荷重を加えた時のインダクタンス変化率を示すグラフである。
【図3】正の磁歪を有するフェライト材料に荷重を加えた時のインダクタンス変化率を示すグラフである。
【図4】正の磁歪を有するフェライト材料に荷重を加えた時のインダクタンス変化率を示すグラフである。
【符号の説明】
1:圧力検出素子
2:巻線
3:基体
4:荷重受部材
5:磁歪量検出手段
6:解析部
Claims (2)
- 主成分の組成比が、酸化物換算で50〜65モル%のFe2O3と、25〜40モル%のZnOと、5〜20モル%のNiOからなり、ZnO/NiOのモル比が2〜3であり、これら主成分100重量部に対して0.5〜5重量部のSiO2と、0.1〜3重量部のTiO2を添加してなり、正の磁歪を有するフェライト焼結体。
- 請求項1記載のフェライト焼結体により圧力検出素子を形成し、該圧力検出素子に圧力を伝達する手段と、圧力検出素子の磁歪量を検出する手段を有する圧力センサ。
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