JPH01311237A - 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、重量や張力や圧縮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） アモルファス合金を荷重や張力や圧縮力等による応力の
センサに用いる場合、応力−磁気変化を利用するため、
磁界に対し体積あるいは長さが歪む磁歪材料、特に、高
磁歪材料が有効であると考えられており、応力センサの
開発は、主として高磁歪を有する鉄系に限られていた。

これを裏付けるものとして、軟磁歪（零磁歪）材料は応
力に対し不敏感であるという指摘があり、また、高磁歪
を有する鉄系は、張力応力にだいし比較的大きく変化す
るという指摘がある。

第１２図は高磁歪の鉄系のアモルファスリボンを用いた
張力センサの従来例を示す。第１２図において、符号１
１はアモルファス合金でなる高磁歪のリボン状の磁心で
あり、この磁心１１の一部には入力コイル１２と出力コ
イル１３が巻回されている。入力コイル１２には、一定
間隔のパルス状の磁化電流が適宜のドライバを介して入
力される。一方、出力コイル１３には上記磁化電流の周
波数に応じた周波数の励磁−電流が誘起される。上記リ
ボン状は心１１に張力を加えると、磁心１１の微分透磁
率による励磁電流が第１３図のように変化する。この励
磁電流の変化を検出すれば磁心１１に加えられている張
力を検出することができる。第１２図における符号１４
は出力コイル１３の励磁電流の変化を検出する検出回路
であり、磁心１１に加わる張力の大小に応じて上記励磁
電流に基づく検出電圧が変化し、この検出電圧を一定の
１％　ＹＦ　？ｆ圧と比較したときこの比較出力のパル
ス幅が異なることから、このパルス幅を検出することに
よって磁心１１に加わる張力を検出するようにしたもの
である。

（発明が解決しようとする課題） 上記従来の応力センサによれば、磁心１１に加わる応力
に対する検出出力の基本特性は、第１３図に示すように
単調に増加しているが、直線性が悪い。これは、出力と
して励磁Ｋｉ流をとった場合に限らず、透磁率や電圧で
とった場合も同様である。また、張力だけでなく圧縮力
にたいしても同様である。

そこで、従来の応力センサでは、第１２図に示すように
検出回路１４の後に逆関数変換回路１５を設け、これに
よって第１４図に示すような直線性のよい最終出力を得
ている。

このように、従来の応力センサにニーれば、直線性のよ
い出力を得るには逆関数変換回路を必要とし、検出回路
を複雑化する原因となっている。

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、磁心の材料を限定することにより、基本
特性において応力に対する出方信号の直線性を向上させ
、もって、逆関数変換回路を不要にして検出回路の構成
を簡素化することを可能にした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の一部にコイ
ルを巻回し、このコイルを介して上記磁心に加わる応力
変化による磁気特性の変化を検出する応力センサであっ
て、上記磁心をコバルトが主成分である零磁歪アモルフ
ァス合金としたことを特徴とする。

零磁歪アモルファス合金の磁歪をＩＸ　１０−　５以下
とし、保持力を０．０１Ｏｅ未満としかつ飽和磁束密度
を１０ＫＧ未満としてもよい。

零磁歪アモルファス合金からなる磁心をトロイダル状に
形成してもよい。

（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。

零磁歪アモルファス合金の磁歪をｌＸ１０−　Ｇ以下と
し、保持力を０．０１Ｏｅ未満としかつ飽和磁束密度を
ＬＯＫＧ未満とすることにより、応力の変化に対する出
力変化の直線性を向上させることができる。

零磁歪アモルファス合金からなる磁心をトロイダル状に
形成することにより、荷重センサあるいは圧縮力センサ
を構成することができる。

（実施例） 以下１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。

第１図は張力応力による周波数出力アモルファスセンサ
の例を示す。第１図において、アモルファス合金からな
るリボン状のは心１の一部には検出コイル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Ｃ１，Ｃ２と増幅器１０でなる発振回路に接
続されている。

アモルファス合金からなる磁心１はＭａ、Ｙｂ。

Ｏｃ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のうち１種以上、○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。

上記実施例において１発振回路の出力の周波数ｆは、 上記Ｃは、 Ｃ□十〇２ である。磁心１はその一端が不動部に固定され、他端に
引っ張り力Ｔがかかるようになっている。

上記引っ張り力により磁心１に応力が加わり、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。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、これ
によって張力Ｔを検出することができる。

ここで、磁心１として高磁歪アモルファス合金、例えば
、 磁気特性　磁歪１０　Ｘ　１０−　’以上保持力０．０
１Ｏｅ以上かつ飽和磁 束密度１０ＫＧ以上 組　　成　鉄（Ｆｓ）を主成分としたものを用いた場合
、上記磁心１に張力応力がかかると磁心１の透磁率が増
加し、発振周波数を減少させる。このときの出力例は第
３図に示すとおりであり、応力にたいし非直線的な出力
となるため、前述のように逆関数変換回路が必要である
。

しかし、第１図に示す本発明の実施例では、磁心１の材
料として零磁歪アモルファス合金、即ち磁気特性　磁歪
Ｉ　Ｘ　１０−　”以下保持力０．０１Ｏｅ未満かつ飽
和磁 束密度１０ＫＧ未満 組　　成　コバルト（ＣＯ）を主成分としたもの、具体
的には、 Ｇｏ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ−Ｂ−８ｉ Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｂ−８ｉ等 を用いる。このような材料を磁心１として用いた場合、
磁心１に張力応力Ｔがかかると、磁心１の透磁率が減少
し、第４図に示すように、発振周波数が応力の変化にだ
いし直線的に上昇する。よって、上記実施例によれば、
検出回路の後に逆関数変換回路を設ける必要はなく、回
路構成が簡単になるという利点がある。

上に述べた周波数出力方式は、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もある。

第２図は引っ張り応力による電圧出力アモルファス応力
センサの例を示す。零磁歪アモルファス合金からなるリ
ボン状の磁心１の一部には入力コイル２ａが巻回される
と共に検出コイル２ｂが巻回されている。上記入力コイ
ル２ａ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２ｂ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。上記磁心１も前述の実
施例における磁心１と同様の特性と組成からなる零磁歪
アモルファス合金で作られる。

いま、第５図（ａ）に示すような一定周波数の微小な交
流電流を入力コイル２ａに流すと、磁心１に交流磁界が
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２ｂに第５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
は比較的大きな電圧であり、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に引っ張り
応力Ｔを加えると、この引っ張り応力の大きさにより、
磁心１の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。

ここで、磁心１の材料を高磁歪アモルファス合金とする
と、張力応力に対するパルス出力の関係は、第６図に示
すとおり、張力応力の増加にともない非直線的にパルス
出力が上昇する。

しかし、本発明の実施例のように磁心１の材料として零
磁歪アモルファス合金を用いた場合、磁心１に応力がか
かると大バルクハウゼン効果が抑制され、第７図に示す
ように、出力パルス電圧が減少する。しかも直線的に減
少する。従って、この実施例の場合も検出回路に逆関数
変換回路を設ける必要はなく、回路構成が簡単になると
いう利点がある。

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Ｔｆｌ象をいう。

そして、アモルファスの場合ｌよ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方式によれば、入力コイル２ａと出
力コイル２ｂとを完全に分離し、入力コイル２ａ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１表示回路を簡略化することができる
。

また、第１図及び第２図に示したようなアモルファス合
金による磁心は、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。

本発明にかかるアモルファス応力センサに用いる磁心は
、トロイダル状に形成して張力以外の荷重や圧縮力の応
力センサとして利用することもできる。第８図ないし第
１１図はその例を示す。

第８図において、零磁歪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が巻回されている。

この実施例は第１図の実施例と同様に周波数出力方式で
あり５磁心１に荷重や圧縮応力Ｐがかかると磁心１の透
磁率が変化し、発振周波数出力が変化する。このときの
荷重や圧縮応力に対する発振周波数の関係を第９図に示
す。この場合も磁心１に零磁歪アモルファス合金を用い
ることにより、直線性のよい出力を得ることができる。

第１０図の例は第２図の実施例に対応するもので、零磁
歪アモルファス合金からなるトロイダル状の磁心１の一
部に入力コイル２ａを巻回すると共に出力コイル２ｂを
巻回したものである。入力コイル２ａには一定周波数で
一定の電圧の交流を入力し、出力コイル２ｂに誘起され
るパルス信号の電圧によって磁心１にかかる荷重あるい
は圧縮応力を検出することができる。第１１図はこの実
施例の出力特性を示しており、第７図について説明した
のと同様に、直線性のよい出力電圧特性を得ることがで
きる。

（発明の効果） 本発明によれば、磁歪がほとんどゼロに近く、荷重、張
力、圧縮力等の応力にたいして直線的な磁気特性を有す
る零磁歪アモルファス合金を磁心として用いたため、直
線性の良好な出力を得ることができ、もって、逆関数変
換回路等の変換回路を用いることなく検出回路を構成す
ることができ、回路構成の簡単なアモルファス応力セン
サを提供することができる。

【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一実
施例を示す回路図、第２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回路図、第３図は高磁
歪アモルファス合金を用いた場合の周波数出力特性の例
を示す線図、第４図は第１図の実施例による出力特性の
例を示す線図、第５図は第２図の実施例による入力信号
と出力信号の例を示す波形図、第６図は高磁歪アモルフ
ァス合金を用いた場合のパルス電圧出力特性の例を示す
線図、第７図は第２図の実施例による出力特性の例を示
す線図、第８図は本発明の別の実施例を示す斜視図、第
９図は同上実施例の出力特性の例を示す線図、第１０図
は本発明のさらに別の実施例を示す斜視図、第１１図は
同上実施例の出力特性の例を示す線図　第１２図は従来
の応力センサの一例を示す回路図、第１３図は同上従来
例の検出出力特性を示す線図、第１４図は上記従来例に
おいて逆関数変換後の信号を示す線図である。 １・・・・磁心　２，２ａ、２ｂ・・・・コイル都４　
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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アモルファス合金からなる磁心の一部にコイルを巻
   回し、このコイルを介して上記磁心に加わる応力変化に
   よる磁気特性の変化を検出する応力センサであって、上
   記磁心をコバルトが主成分である零磁歪アモルファス合
   金としたことを特徴とするアモルファス応力センサ。 ２、零磁歪アモルファス合金の磁歪を１×１０＾−＾５
   以下とし、保持力が０．０１Ｏｅ未満でありかつ飽和磁
   束密度が１０ＫＧ未満である請求項１記載のアモルファ
   ス応力センサ。 ３、零磁歪アモルファス合金からなる磁心をトロイダル
   状に形成した請求項１記載のアモルファス応力センサ。