JP4327640B2

JP4327640B2 - 圧力センサ及びその磁気ヒステリシス低減方法

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Publication number: JP4327640B2
Application number: JP2004092702A
Authority: JP
Inventors: 輝夫森; 史郎富沢
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005283126A

Description

本発明は、磁歪部材を用いた圧力センサ及びその磁気ヒステリシス低減方法に関する。

従来、磁歪部材の応力磁気効果を用いて圧力の変化を検出可能とした圧力センサが広く知られている。この従来公知の圧力センサは、磁歪部材の変形に基づく透磁率の変化をコイルのインダクタンス値の変化として検出することによって、圧力の変化を検出可能としたものである。

ところで、このような圧力センサにおける圧力とインダクタンス値の関係は、一般に、図６に示されるような磁気ヒステリシス特性を示し、圧力とインダクタンス値との間には変化の方向による差異が生じる。その結果、圧力の増加方向と減少方向とで同一の圧力に対するインダクタンス値が一致しないといった問題点がある。

このような問題点を解決する一手段として、図７に示されるような圧力センサ１が提案されている。

この圧力センサ１は、略棒状の超磁歪素子２と、ＬＣ発振電流を流すための第１コイル３と、インパルス電流を流すための第２コイル４と、を有して構成され、超磁歪素子２を囲むように第１、第２コイル３、４が２重に巻回されている。圧力センサ１は、所定のタイミングで第２コイル４によってインパルス電流を流すことによって、磁気ヒステリシスを低減しようとするものである。

特開２００３−１５６３８２号公報

しかしながら、この圧力センサ１では、大きなインパルス電流を流す必要があるため、超磁歪素子２や第１、第２コイル３、４の温度上昇に伴う検出誤差が大きく、検出精度が低下してしまうといった問題点があった。

又、第１、第２コイル３、４を超磁歪素子２の外周に２重に巻回する構造である上に、インパルス電流を流すためには第２コイル３の線径をなるべく大きくする必要があり、装置が大型化（特に、超磁歪素子２の径方向に大型化）してしまうといった問題点もあった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、小型化が可能でありながら、同時に、磁気ヒステリシスを効果的に低減し、圧力の変化を高精度で検出することができる圧力センサ及びその磁気ヒステリシス低減方法を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、鋭意研究の結果、小型化が可能でありながら、同時に、磁気ヒステリシスを効果的に低減し、圧力の変化を高精度で検出することができる圧力センサ及びその磁気ヒステリシス低減方法を見出した。

即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。

（１）第１磁歪部材及び該第１磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を検出するための検出手段を備え、圧力の変化を前記第１磁歪部材の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化として検出可能なセンサ部と、第２磁歪部材及び該第２磁歪部材を伸縮可能な駆動コイルを備えた駆動部と、を有してなり、該駆動部は、前記駆動コイルにインパルス状の電流を流すことによって、前記センサ部における第１磁歪部材に所定の応力を印加可能に構成されていることを特徴とする圧力センサ。

（２）前記センサ部における第１磁歪部材及び検出手段と、前記駆動部における第２磁歪部材及び駆動コイルとの間には、磁性部材が配設されていることを特徴とする前記（１）記載の圧力センサ。

（３）前記センサ部における第１磁歪部材及び前記駆動部における第２磁歪部材は、前記磁性部材に固定されていることを特徴とする前記（２）記載の圧力センサ。

（４）前記センサ部における第１磁歪部材には、所定の予荷重が印加されていることを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の圧力センサ。

（５）前記センサ部における検出手段は、前記第１磁歪部材の外周を囲むように配設された検出コイルを含み、前記第１磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記検出コイルのインダクタンス値の変化として検出するようにしたことを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の圧力センサ。

（６）前記センサ部における検出手段はホール素子を含み、前記第１磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記ホール素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の圧力センサ。

（７）前記センサ部における検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記第１磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の圧力センサ。

（８）前記センサ部における第１磁歪部材及び前記駆動部における第２磁歪部材の少なくとも一方は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からなることを特徴とする前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の圧力センサ。

（９）磁歪部材の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化によって圧力の変化を検出可能な圧力センサの磁気ヒステリシス低減方法であって、前記磁歪部材に所定の応力を印加することによって、前記磁歪部材の残留磁気を除去することを特徴とする圧力センサの磁気ヒステリシス低減方法。

本発明に係る圧力センサ及びその磁気ヒステリシス低減方法によれば、小型化が可能でありながら、同時に、磁気ヒステリシスを効果的に低減し、圧力の変化を高精度で検出することができるという優れた効果を有する。

本発明に係る圧力センサは、第１磁歪部材及び該第１磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を検出するための検出手段を備え、圧力の変化を前記第１磁歪部材の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化として検出可能なセンサ部と、第２磁歪部材及び該第２磁歪部材を伸縮可能な駆動コイルを備えた駆動部と、を有してなり、該駆動部は、前記駆動コイルにインパルス状の電流を流すことによって、前記センサ部における第１磁歪部材に所定の応力を印加可能に構成されていることによって、上記課題を解決したものである。

又、本発明に係る圧力センサの磁気ヒステリシス低減方法は、磁歪部材の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化によって圧力の変化を検出可能な圧力センサの磁気ヒステリシス低減方法であって、前記磁歪部材に所定の応力を印加することによって、前記磁歪部材の残留磁気を除去することによって、上記課題を解決したものである。

以下、図１及び図２を用いて、本発明の実施例１に係る圧力センサについて詳細に説明する。

図に示されるように、本発明の実施例１に係る圧力センサ１０は、略筒状のケーシング１２を備えており、このケーシング１２内には、駆動部１４とセンサ部１６が収容されている。

駆動部１４は、ケーシング１２の底部に固定された略円板状の磁性部材からなる第１磁気ヨーク１８と、この第１磁気ヨーク１８上に固定された略棒状の第２超磁歪部材２０と、この第２超磁歪部材２０の周囲に配設され、第２超磁歪ロッド２０を軸方向に伸縮可能な駆動コイル２２と、第２超磁歪部材２０及び駆動コイル２２を上方から覆うように配設された有底円筒形状の磁性部材からなる第２磁気ヨーク２４と、を有して構成されている。なお、この例では、第１、第２磁気ヨーク１８、２４はＭｎＺｎフェライト材からなる。

第２超磁歪部材２０は、一端側が第１磁気ヨーク１８に固定されていると共に、他端側が第２磁気ヨーク２４に固定されている。又、第２超磁歪部材２０は、超磁歪素子を材料としている。ここで、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいう。この磁歪素子は、外部から磁界が印加されると大きな変位を生じ（ジュール効果）、又、外部から応力を受けて変形すると大きな透磁率又は残留磁化量の変化を生じる性質（ビラリ効果）を有している。

第２磁気ヨーク２４の下端は、ゴム２６を介して第１磁気ヨーク１８に固定されており、第２磁気ヨーク２４は、第２超磁歪部材２０の軸方向の伸縮に伴って上下動可能に構成されている。

一方、この駆動部１４の上方に配置されたセンサ部１６は、第２超磁歪部材２０と同軸的に配置され、駆動部１４の第２磁気ヨーク２４上に固定された略棒状の第１超磁歪部材２８と、この第１超磁歪部材２８の周囲に配設された検出コイル（検出手段）３０と、第１超磁歪部材２８の上端に固定された略柱状の磁性部材からなる第３磁気ヨーク３２と、この第３磁気ヨーク３２上に球面軸合わせ具３４を介して配設された伝達ロッド３６と、を有して構成されている。

第１超磁歪部材２８は、駆動部１４の第２超磁歪部材２０と同じ超磁歪素子を材料としている。

検出コイル３０は、第１超磁歪部材２８の変位に基づく第１超磁歪部材２８の透磁率又は残留磁化量の変化をインダクタンス値の変化として検出可能である。

伝達ロッド３６は、第１超磁歪部材２８の上端側に位置する略円板状のフランジ部３６Ａと、このフランジ部３６Ａを基端として第１超磁歪部材２８の軸方向に沿って伸びるロッド部３６Ｂと、によって構成されている。フランジ部３６Ａとケーシング１２との間には、皿ばね３８が縮設されており、伝達ロッド３６は第１超磁歪部材２８側に付勢されていると共に、第１超磁歪部材２８には軸方向に所定の予荷重が印加されている。更に、ロッド部３６Ｂの先端部はケーシング１２外部に突出されており、このロッド部３６Ｂを介して第１超磁歪部材２８に外部からの圧力を印加可能な構造となっている。

次に、本発明の実施例１に係る圧力センサ１０の作用について説明する。

伝達ロッド３６に外部から圧力が加えられ、球面軸合わせ具３４及び第３磁気ヨーク３２を介して、第１超磁歪部材２８に軸方向の応力が加えられると、第１超磁歪部材２８に変形が生じる。そして、この第１超磁歪部材２８の変形によって第１超磁歪部材２８の透磁率又は残留磁化率が変化することになる。従って、この第１超磁歪部材２８の透磁率又は残留磁化率の変化を検出コイル３０のインダクタンス値の変化として検出することによって圧力の変化を検出することができる。

又、この圧力センサ１０では、駆動部１４の駆動コイル２２にインパルス状の電流を流すことによって、第２磁気ヨーク２４を介して、センサ部１６の第１超磁歪部材２８に所定の応力が印加されるようになっている。

本発明の発明者は、実験により、本実施例１に係る圧力センサ１０に印加される圧力と検出コイル３０における電圧との関係についてデータを採取した。なお、本実験においては、駆動部１４には、軸径７．４ｍｍ、軸長８ｍｍの第２超磁歪部材２０と、線径０．２ｍｍ、線種ＵＥＷ、巻数６００ターン、コイル長７ｍｍの駆動コイル２２を適用し、駆動コイル２２に最大値０．３Ａのインパルス状の電流を流した。又、センサ部１６には、軸径７．４ｍｍ、軸長６ｍｍの第１超磁歪部材２８と、線径０．２ｍｍ、線種ＵＥＷ、巻数３００ターン、コイル長３ｍｍの検出コイル３０を適用した。

又、比較例として、同じ圧力センサ１０を用いて、本発明に係る磁気ヒステリシス低減方法を適用しなかった場合（センサ部１６の第１超磁歪部材２８に応力を印加しなかった場合）についてもデータを採取した。

その結果、図３に示されるように、実線で示される本実施例１に係る圧力センサ１０では、点線で示される比較例の圧力センサに比べ、実験を行った圧力０（ｋｇｆ／ｃｍ^２）〜約５００（ｋｇｆ／ｃｍ^２）の全範囲において磁気ヒステリシスが低減されていることが確認された。なお、比較例の圧力センサの磁気ヒステリシスの最大幅は１２．３０８（ｖ）であったのに対して、本実施例１に係る圧力センサ１０の磁気ヒステリシスの最大幅は７．１４３（ｖ）で、磁気ヒステリシスは約４１．９６４％（＝（１−７．１４３／１２．３０８）×１００）減少した。このことは、駆動部１４によりセンサ部１６の第１超磁歪部材２８に所定の応力を印加したことによって、第１超磁歪部材２８の残留磁気が除去され、磁気ヒステリシスが低減されたことを意味している。

本実施例１に係る圧力センサ１０によれば、第１超磁歪部材２８及びこの第１超磁歪部材２８の透磁率又は残留磁化量の変化を検出するための検出コイル（検出手段）３０を備え、圧力の変化を、第１超磁歪部材２８の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化として検出可能なセンサ部１６と、第２超磁歪部材２０及びこの第２超磁歪部材２０を伸縮可能な駆動コイル２２を備えた駆動部１４と、を有してなり、駆動部１４は、駆動コイル２２にインパルス状の電流を流すことによって、センサ部１６の第１超磁歪部材２８に所定の応力を印加可能に構成されているため、第１超磁歪部材２８の残留磁気を除去することによって、磁気ヒステリシスを効果的に低減し、圧力の変化を高精度で検出することができる。又、従来の圧力センサのように径方向に装置が大型化することがなく、従来の圧力センサに比べ小型化が可能である。

特に、超磁歪素子を材料とする第１超磁歪部材２８を用いているため、圧力変化の検出感度をより一層高めることができる。

又、センサ部１６における第１超磁歪部材２８及び検出コイル３０と、駆動部１４における第２超磁歪部材２０及び駆動コイル２２との間には、第２磁気ヨーク（磁性部材）２４が配設されているため、駆動部１４から発生する磁気ノイズや熱がセンサ部１６に及ぶのを阻止することができ、磁気ノイズや熱に起因する検出誤差の発生を防止することができる。

更に、センサ部１６における第１超磁歪部材２８及び駆動部１４における第２超磁歪部材２０は、第２磁気ヨーク（磁性部材）２４に固定されているため、部材間に発生する繰り返し応力による第１、第２超磁歪部材２０、２８の破損等を未然に防止することができる。

又、センサ部１６における第１超磁歪部材２８には、皿ばね３８によって所定の予荷重が印加されているため、この点においても圧力変化の検出感度が高められている。

なお、駆動コイル２２の軸方向両側には、第１、第２磁気ヨーク１８、２４が配設されており、第２超磁歪部材２８に対して駆動コイル２２の磁界を効率的に印加することができる。又、検出コイル３０の軸方向両側には、第２、第３磁気ヨーク２４、３２が配設されており、第１超磁歪部材２８の透磁率又は残留磁化量の変化を検出コイル３０で効率的に検出することができる。

本発明の発明者は、上記実施例１に係る圧力センサ１０の駆動コイル２２に代えて、線径１．０ｍｍ、線種ＵＥＷ、巻数２０ターン、コイル長７ｍｍの駆動コイル２２を適用すると共に、この駆動コイル２２に最大値５．０Ａのインパルス状の電流を流し、上記実施例１と同様の実験を行った。

その結果、図４に示されるように、実線で示される本実施例２に係る圧力センサ４０では、点線で示される比較例の圧力センサに比べ、実験を行った圧力０（ｋｇｆ／ｃｍ^２）〜約５００（ｋｇｆ／ｃｍ^２）の全範囲において磁気ヒステリシスが低減されていることが確認された。なお、比較例の圧力センサの磁気ヒステリシスの最大幅は１２．３０８（ｖ）であったのに対して、本実施例２に係る圧力センサ４０の磁気ヒステリシスの最大幅は８．９５５（ｖ）で、磁気ヒステリシスは約２７．２３９％（＝（１−８．９５５／１２．３０８）×１００）減少した。このことは、駆動部１４によりセンサ部１６の第１超磁歪部材２８に所定の応力を印加したことによって、第１超磁歪部材２８の残留磁気が除去され、磁気ヒステリシスが低減されたことを意味している。

このように、本実施例２に係る圧力センサ４０によっても、上記実施例１の圧力センサ１０と同様に、小型化が可能でありながら、同時に、磁気ヒステリシスを効果的に低減し、圧力の変化を高精度で検出することができる。又、駆動コイル２２の諸元（線径、巻数等）を変えることによって、磁気ヒステリシスを低減しつつ、圧力センサの特性を変化させることができる。

なお、本発明に係る圧力センサは、上記実施例１及び２に係る圧力センサ１０（４０）の形状や構造等に限定されるものではない。

従って、例えば、上記実施例１及び２においては、圧力の変化を検出するための検出手段として検出コイル３０を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図５に示される圧力センサ５０のように、圧力の変化を検出するための検出手段としてホール素子５２（又はＭＲ、ＧＭＲ等の磁気抵抗効果素子）を適用し、第１超磁歪部材２８の透磁率又は残留磁化量の変化をホール素子５２（又は磁気抵抗効果素子）の起電力変化として検出するようにしてもよい。

又、圧力センサの検出感度が十分に得られる場合等には、必ずしも第１超磁歪部材２８に予荷重を印加する必要はなく、又、超磁歪部材の代わりに、磁歪素子からなる磁歪部材を適用してもよい。

即ち、本発明に係る圧力センサは、第１磁歪部材及び該第１磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を検出するための検出手段を備え、圧力の変化を前記第１磁歪部材の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化として検出可能なセンサ部と、第２磁歪部材及び該第２磁歪部材を伸縮可能な駆動コイルを備えた駆動部と、を有してなり、該駆動部は、前記駆動コイルにインパルス状の電流を流すことによって、前記センサ部における第１磁歪部材に所定の応力を印加可能に構成されていればよい。

本発明の実施例１に係る圧力センサの略示側断面図図１におけるII−II線に沿う略示断面図本発明の実施例１に係る圧力センサに印加された圧力と検出コイルにおける電圧との関係を示したグラフ本発明の実施例２に係る圧力センサに印加された圧力と検出コイルにおける電圧との関係を示したグラフ本発明の実施例１に係る圧力センサの検出手段としてホール素子を適用した例を示す略示断面図一般的な圧力センサにおける圧力とインダクタンス値の関係を示したグラフ従来の圧力センサの略示側断面図

符号の説明

１、１０、４０、５０…圧力センサ
２…超磁歪素子
３…第１コイル
４…第２コイル
１２…ケーシング
１４…駆動部
１６…センサ部
１８…第１磁気ヨーク
２０…第２超磁歪部材
２２…駆動コイル
２４…第２磁気ヨーク
２６…ゴム
２８…第１超磁歪部材
３０…検出コイル
３２…第３磁気ヨーク
３６…伝達ロッド
３８…皿ばね
５２…ホール素子

Claims

第１磁歪部材及び該第１磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を検出するための検出手段を備え、圧力の変化を前記第１磁歪部材の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化として検出可能なセンサ部と、第２磁歪部材及び該第２磁歪部材を伸縮可能な駆動コイルを備えた駆動部と、を有してなり、該駆動部は、前記駆動コイルにインパルス状の電流を流すことによって、前記センサ部における第１磁歪部材に所定の応力を印加可能に構成されていることを特徴とする圧力センサ。
請求項１において、
前記センサ部における第１磁歪部材及び検出手段と、前記駆動部における第２磁歪部材及び駆動コイルとの間には、磁性部材が配設されていることを特徴とする圧力センサ。
請求項２において、
前記センサ部における第１磁歪部材及び前記駆動部における第２磁歪部材は、前記磁性部材に固定されていることを特徴とする圧力センサ。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記センサ部における第１磁歪部材には、所定の予荷重が印加されていることを特徴とする圧力センサ。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記センサ部における検出手段は、前記第１磁歪部材の外周を囲むように配設された検出コイルを含み、前記第１磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記検出コイルのインダクタンス値の変化として検出するようにしたことを特徴とする圧力センサ。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記センサ部における検出手段はホール素子を含み、前記第１磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記ホール素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とする圧力センサ。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記センサ部における検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記第１磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とする圧力センサ。
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記センサ部における第１磁歪部材及び前記駆動部における第２磁歪部材の少なくとも一方は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からなることを特徴とする圧力センサ。
磁歪部材の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化によって圧力の変化を検出可能な圧力センサの磁気ヒステリシス低減方法であって、前記磁歪部材に所定の応力を印加することによって、前記磁歪部材の残留磁気を除去することを特徴とする圧力センサの磁気ヒステリシス低減方法。