JPH01311236A - アモルファス応力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、重量や張力や圧力等を検出することができる
アモルファス応力センサに関する。

（従来の技術） 例えば、電子レンジでは、加熱対象の重量に応じて加熱
時間を設定するために、重量センサを備えたものがある
。第１５図はこのような電子レンジにおける重量センサ
の例を示すもので、モータ２０の出力軸２１には図示さ
れないターンテーブルが一体に固着さハ、このターンテ
ーブルがモータ２０によって回転駆動される。上記軸２
１は、フレーム２５によって保持された平行板ばね２２
によって支持されている。また、軸２１と一体的に可動
側のコンデンサの電極２３が取り付けられており、この
電極２３の上方には同電極２３と対向させて固定側のコ
ンデンサの電極２４が配置されている。

いま、出力軸２１に荷重がかかると平行板ばね２２を撓
ませながら出力軸２１が下降し、二つのコンデンサの電
極２３．２４の間隔が変化してコンデンサの容量が変化
する。この容量変化を検出回路により周波数の変化とし
て検出する。荷重が大きくなればなるほどコンデンサの
容量が小さくなり、出力信号の周波数が高くなるため、
この周波数の変化から出力軸２１にかかる荷重の大きさ
を検出することができる。

また、電子レンジの重量センサとして第１６図、第１７
図に示すようなセンサも考えられている。

これは、モータ３０で回転駆動されかつ図示されないタ
ーンテーブルと一体の出力軸３１は、フレーム３３に取
付けられた平行板ばね３２の一方によって支持されてお
り、上記軸３１を支持する一方の板ばね３２には検出コ
イル３５が取り付けられている。一方、上記フレーム３
３にはフェライトコア３４が固定されており、このコア
３４が上記検出コイル３５のコアを構成している。

いま、出力軸３１に荷重がかかると平行板ばね３２を撓
ませながら出力軸３１が下降する。これと共に検出コイ
ル３５がフェライトコア３４に沿って下方に移動し、コ
イル３５のインダクタンスが大きくなる。このインダク
タンスの変化を発振周波数の変化として回路的に検出す
れば、出力軸３１にかかる荷重の大きさを検出すること
ができる。

（発明が解決しようとする課題） 上に述べたいずれの従来例でも、平行板ばねでなる動作
部と、コンデンサやフェライトコア付きのコイルでなる
検出部とが別々になっているため構造が複雑であり１組
立工程も複雑となる。また、平行板ばねを利用している
ため薄型化が可能であるが１幅広になり、小型化には向
かない。さらに、平行板ばねとして精密ばね材を使用す
る必要があり、精度の割にはコスト高となり、また、多
数のばねとばね座とを組み合わせる必要があるため、繰
返し荷重によりずれが生じやすいという問題もある。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解消するためにな
されたもので、構造をなるべく簡単にして組立工程を少
なくシ、平行板ばねを使用することなくセンサを構成す
ることを可能にしてコストを安くかつ耐久性を向上させ
、さらに、軽量で小型のアモルファス応力センサを提供
することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、アモルファス合金からなる磁心にコイルを巻
回し、このコイルから上記磁心に加わる外力や変位等の
応力による磁気的変化を検・出する応力センサであって
、上記磁心には同磁心と並列的に上記応力を受ける弾性
体を設けたことを特徴とする。

（作用） アモルファス合金からなる磁心に応力がかかると、応力
に応じて磁心の透磁率が変化する。この透磁率の変化は
磁心に巻き回したコイルの出力から周波数の変化又は電
圧の変化として検出することができ、これによって磁心
にかかる応力を検出することができる。磁心と並列的に
設けた弾性体のばね定数等を適宜選択することにより、
荷重の変化に対する出力変化の直線性や感度等を自由に
設定することができる。

（実施例） 以下、本発明にかかるアモルファス応力センサの実施例
について説明することにするが、まず、本発明の基本形
について説明することにする。

第１図、第２図は周波数出力の基本形を示す。

第１図、第２図において、トロイダル状アモルファス合
金の強磁性体からなる磁心１には検出コイル２が巻回さ
れている。検出コイル２の両端は。

直列接続された二つのコンデンサＣＩＩＣＺと増幅器１
０でなる発振回路に接続されている。上記アモルファス
合金の強磁性体からなる磁心１はＭ　ａ　。

Ｙｂ、○Ｃで表される組成を有し、 Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種以上、Ｙは、Ｓｉ、
Ｐ、Ｂ、Ｃ（１）うち１種以上、０は、Ｃｒ、Ｍｏのう
ちの１種以上 を含み、原子数の比率は、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００とする。

上記基本形において、発振回路の出方の周波数ｆは、 上記Ｃは、 Ｃ１＋Ｃ。

である。磁心１に応力Ｐが加わると、磁心１の透磁率が
変化してコイル２のＬが変化し、上記発振回路の発振周
波数が変化する。第７図はこの周波数の変化を示す。い
ま、発振回路の波形を第７図（ａ）のような矩形波とす
ると１ｍ磁心に応力が加わって磁心１の透磁率が増加す
るのに伴い発振回路の発振周波数が第７図（ｂ）のよう
に低くなる。この磁心１に加わる応力に対する発振周波
数の関係は第８図に示すように略比例関係になっている
。よって、発振回路の発振周波数から磁心１に加わる応
力を検出することができる。

上に述べた周波数出力の基本形は、アモルファス合金の
透磁率の変化を周波数の変化として取り出すという今ま
でにない方式であり、加えた荷重や張力等による応力を
表示するのにデジタル化しやすく、検出後の表示回路を
簡略化できるという利点がある。

第３図、第４図は電圧出力の基本形を示す。第３図、第
４図において、１−ロイダル状アモルファス合金の強磁
性体からなる磁心１には入力コイル２ｂが巻回されると
共に検出コイル２ａが巻回されている。上記入力コイル
２ｂには一定の周波数で一定の電圧の交流が入力される
。上記検出コイル２ａには出力電圧が誘起される。この
出力電圧は、磁心１の透磁率、従って磁心１に加わる応
力の大きさに応じて変化する。

いま、第９図（ａ）に示すような一定周波数の微小な交
流電流（３０〜８０ｍＡ）を入力コイル２ｂに流すと、
トロイダル磁心１に５〜１００　ｅ程度の交流磁界が誘
起される。この交流磁界により、磁心１中に大バルクハ
ウゼン効果が生じ、検出コイル２ａに第９図、（ｂ）に
示すように鋭いパルス電圧が生じる。このパルス電圧は
数ｍＶ〜数百ｍＶあり、よって、増幅回路なしで検出す
ることが可能である。この状態で磁心１に応力Ｐを加え
ると、磁心１の圧縮応力により、大バルクハウゼン効果
の大きさが変化し、パルス電圧のピーク値が変化する。

この圧縮応力に対するパルス電圧のピーク値の関係を第
１０図に示す。このように、磁心１に加わる応力の変化
に応じて検出コイル２ａに誘起されるパルス電圧のピー
ク値が変化するため、このパルス電圧のピーク値を検出
することにより磁心１に加わる応力を検出することがで
きる。

なお、バルクハウゼン効果とは、パーマロイに張力を加
え、単磁区に近い状態で磁界の方向を１８０度反転させ
ると、磁区内の磁気の方向が一気に反転し、その際に起
電力が発生する現象をいう。

そして、アモルファスの場合は理論的に単磁区に近いた
め、張力をかけなくてもバルクハウゼン効果が起こる。

これを大バルクハウゼン効果という。

アモルファスに張力や圧縮力を印加すると、ＢＨループ
が変化し、大バルクハウゼン効果の大きさが変化して最
終的には起電力が変化する。

上に述べた電圧出力の基本形によれば、入力コイル２ｂ
と出力コイル２ａとを完全に分離し、入力コイル２ｂに
交流を流すことにより、単純な回路でパルス出力を取り
出すことが可能であり、表示回路を簡略化することがで
きる。

また、第１図ないし第４図に示したようなアモルファス
合金によるトロイダル状の磁心は、それ自体が荷重を受
ける感知部を構成しているが、同時に発振器の一部に組
み込まれ、出力部も兼ねている。このため、従来の応力
センサよりも構造が簡素化され、小型、軽量化を実現す
ることができると共に、耐久性の向上及び組立工数の低
減を図ることができる。

次に、以上述べた基本形を利用した応用例について説明
する。第５図において、アモルファス合金からなるトロ
イダル状の磁心１には検出コイル２が巻回され、上記磁
心１の上下には同磁心１を挾み込むようにして受は板３
が配置され、この上下の受は板３の間には磁心１の両側
において同磁心１と並列的に、同磁心１に加わる応力を
受けるための弾性部材としての圧縮コイルばね４が配置
されている。上記量は板３は非磁性金属あるいは樹脂等
によって作る。

第６図は弾性部材を用いたアモルファス応力センサの変
形例であって、アモルファス合金からなるトロイダル状
の磁心１には検出コイル２が巻回され、上記磁心１の上
下には同磁心１の上下部分に巻きつけるようにして受は
板３が配置され、この上下の受は板３の間には磁心１間
において同磁心１と並列的に、同磁心ｌに加わる応力を
受けるための弾性部材としての圧縮コイルばね４が１個
配置されている。

第５図及び第６図の例では、磁心１に一つのコイルのみ
を巻回しているが、第３図、第４図の例のように、ａｔ
心ｌに入力コイルと検出コイルとを巻回してもよい。従
って、磁心１に並列的に弾性部材を配置した場合でも、
検出コイルから周波数出力又は電圧出力として取り出す
ことができる。

第５図及び第６図の例によれば、磁心１と共に応力を受
ける弾性部材を磁心１と並列的に１個又は複数個設ける
ことにより、磁心１及び受は板３に加わる応力に対し直
線性のよい出力信号を得ることができる。また、弾性部
材のばね定数を適宜選定することにより、センサの荷重
に対する出力変化、即ち感度を自由に設計することがで
きる。

第１１図は、第５図の例のように弾性部材を２個用いた
場合の応力に対する周波数出力特性の例を示す。

第１２図ないし第１４図は、本発明の各種変形実施例を
示す。第１２図の例は、トロイダル状のアモルファス合
金からなる磁心１の上側に弾性部材としての板ばね５を
並列的に配置すると共に、板ばね５の両端部を支持体６
で支持し、板ばね５の中央部にかかる荷重が板ばね５を
介して磁心１に加わるようにしたものである。

第１３図の例は、レバー７の中間部を支持体６で支持す
ると共に、レバー７の一端部の下側に磁心１を配置し、
レバー７の他端側に弾性部材としての引っ張りばね８を
かけてレバー７をその一端部が磁心１から逃げる向きに
付勢したものである。

レバー７の一端部に荷重がかかってレバー７が付勢力に
抗して回動させられるとき磁心１に応力がかかり、検出
コイル２の出力の変化から上記応力を検出することがで
きる。

第１４図の例は、受は板９の両端部を弾性部材としての
引っ張りコイルばね１１を介して吊り下げると共に、受
は板９の中央部下方に磁心１を配置し、受は板９の中央
部の上側に配置した荷重受は部材１０を介しばね１１に
抗して磁心１に応力が加わったとき検出コイル２の出力
から上記応力を検出することができるようにしたもので
ある。

本発明にかかるアモルファス応力センサは、比較的温度
の低い環境、例えば、１００度Ｃを超えない環境中で使
用するものであれば、重量センサ以外にも各種利用でき
る。例えば、自動販売機の液量検知に利用することがで
きる。これにより、コーヒーやジュースなどの液量を重
量として検知することができ、コーヒーなどを入れた容
器が空になっているかどうかを上記容器を明けなくても
検出することができる。また、例えば、自動洗濯機の必
要な水量の検知にも利用できる。即ち、洗濯物の重量を
本発明にかかるセンサで自動的に測定し、これに応じた
適当な水量を求める。水量ステップは３〜４ステツプで
あるから、精密な重量検知は必要ない。

（発明の効果） 本発明によれば、アモルファス合金からなる磁心と共に
応力を受ける弾性部材を磁心と並列的に１個又は複数個
設けることにより、磁心及び受は板に加わる応力に対し
直線性のよい出力信号を得ることができる。また、弾性
部材のばね定数を適宜選定することにより、センサの荷
重に対する出力変化、即ち感度を自由に設計することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるアモルファス応力センサの基本
形の一例を示す斜視図、第２図は同上回路図、第３図は
本発明にかかるアモルファス応力センサの基本形の別の
例を示す斜視図、第４図は同上回路図、第５図は本発明
にかかるアモルファス応力センサの一実施例を示す斜視
図、第６図は本発明にかかるアモルファス応力センサの
別の実施例を示す斜視図、第７図は第１図の基本形にお
ける入力信号と出力信号の例を示す波形図、第８図は同
上基本形における応力対周波数出力との関係を示す特性
線図、第９図は第３図の基本形における入力磁界と出力
電圧との関係を示す波形図、第１０図は同上基本形にお
ける応力対出力電圧との関係を示す特性線図、第１１図
は本発明にかかる実施例の応力対出力信号との関係を示
す特性線図、第１２図は本発明の別の実施例を概略的に
示す正面図、第１３図はさらに別の実施例を示す正面図
、第１４図はさらに別の実施例を示す正面図。 第１５図は従来の応力センサの例を示す正面断面図、第
１６図は従来の応力センサの別の例を示す平面図、第１
７図は同上断面図である。 １・・・・磁心　２，２ａ、２ｂ・・・・コイル４．５
，７，８・・・・弾性部材 塵７　図 （２）（ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アモルファス合金からなる磁心にコイルを巻回し、この
   コイルから上記磁心に加わる外力や変位等の応力による
   磁気的変化を検出する応力センサであって、上記磁心に
   は同磁心と並列的に上記応力を受ける弾性体を設けたこ
   とを特徴とするアモルファス応力センサ。