JPH10239096A - 磁性流体センサー - Google Patents

磁性流体センサー

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JPH10239096A
JPH10239096A JP10046293A JP4629398A JPH10239096A JP H10239096 A JPH10239096 A JP H10239096A JP 10046293 A JP10046293 A JP 10046293A JP 4629398 A JP4629398 A JP 4629398A JP H10239096 A JPH10239096 A JP H10239096A
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magnetic
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magnet
sensor according
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JP10046293A
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Kuldip Raj
クルディップ・ラジ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 応答期間が短く、かつ、寿命の長い磁性流体
センサーを提供する。 【解決手段】 磁性流体センサー組立品には、磁石の両
端にある磁性流体リングにより気密性のハウジングの中
に支持された永久磁石が含まれている。しかしながら、
このハウジングは、磁石の両端とハウジングの壁との間
が磁性流体リングによりシールされないように大きいサ
イズのものである。ハウジングには磁性流体とは相溶性
のない非磁性の液体が入っている。この非磁性流体によ
りハウジングの壁が濡れることとなり、その結果、磁性
流体がこの非磁性の流体からなる薄い膜の上に乗ること
となる。この非磁性の液体の粘性は低くなるように選択
されているので、この磁石の応答速度は大きい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、振動、加速度、及
び傾斜の検出及び測定に使用することのできる磁性流体
センサー組立品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】センサー又は変換器は、例えば、振動、
加速度、及び傾斜等の多様な状態を検出及び測定するた
めに使用することがある。センサーに組み込む組立部品
には機械的なもの、電気的なもの及び磁性流体のもの
等、多種類の形態がある。機械的振動センサー及び機械
的加速度センサーには、振り子部品又は運動部品が使用
される。電気式センサーには、水銀スラグや片持梁が使
用されている。電気的な接触をさせたり、それを切断し
たりするために水銀をベースにしたセンサーにおいて
は、この水銀はガラス容器の中に密閉されている。表面
張力が高いので、この水銀はガラス容器に引っ付かなく
て、僅かな振動にも即座に応答する。しかしながら、水
銀には、それが有害な物質であるという欠点がある。
【０００３】従来技術による磁性流体センサーの組立部
品の一つのタイプには、図１に図示され、かつ、米国特
許第４，６６７，４１４号に詳細に解説されているよう
に磁性流体が入っていて非磁性のハウジングの中に配置
された軸方向に分極された永久磁石が使用されている。
磁性流体１は、オイル等の液状担体の中に浮遊している
磁性粒子のコロイド状の混合物である。この粒子は表面
活性剤で覆われており、このために、粒子がこの担体に
より濡らされて浮遊状態が維持される。磁性流体１は、
非磁性のハウジング２の中に密閉されており、このハウ
ジング２には、磁性流体が膨張出来るようなメカニズム
（図１には図示されていない）が含まれている。例え
ば、ハウジング２には、フレキシブルな膜が組み込まれ
ていることもある。磁石３は、ハウジング２の内部で自
由に動くことができ、磁性流体１によりハウジング２の
中で浮遊しており、この磁性流体１は磁石３により形成
された磁場の中に捕らえられている。
【０００４】磁石３の動きは、ハウジング２の周囲に巻
き付けられた誘導コイル（ここには図示されていな
い）、あるいはホール素子（ここには図示されていな
い）により検出することができる。適切な電気シグナル
処理により、磁石３の傾斜あるいは加速度を測定するこ
とが可能である。
【０００５】このような装置は比較的シンプルで多くの
場合に良好に機能するが、オイル担体が存在することに
より磁性流体１は一般的に相当粘性が高くなる。磁性流
体１の粘性により、磁石３には粘性による抗力が加わ
り、従って、装置の応答速度が小さくなる。磁性流体の
粘性は温度の関数であるので、この応答速度は温度依存
性がある。更に、磁石の表面に磁性流体の粒子が沈積す
ることにより、時間の経過と共に、磁石３の重量が僅か
に大きくなる。このことにより、装置のキャリブレーシ
ョンが影響を受ける。
【０００６】このような問題を解決するために、図２に
図示された形状とすることが多い。この形状は米国特許
第５，４５２，５２０号に詳細に記載されている。
【０００７】この装置の中の磁石３は、磁場により磁石
３の両端に位置して、かつ、磁場により保持された二つ
の磁性流体１及び４によりハウジング、即ち、チューブ
２の中の中心にある。磁石３とハウジング２の間には物
理的な接触はない。磁石３は、磁性流体リング１と４が
ハウジング２の中の摩擦のないベアリングとして作用す
るために自由に滑って移動することができる。磁性流体
リング１と４は、更に、磁石３とハウジング２の壁との
間で低圧力シールをも形成する。従って、磁石３が動く
ことにより圧力の蓄積や空気がある場合にこれを解放す
るためにハウジング２の両端には小さな開口５と６とが
形成されている。
【０００８】この装置には、上述したような応答時間の
問題やキャリブレーションの問題がない。しかしなが
ら、磁石３が動くと、表面張力によりハウジング２の壁
に付着したｑ磁性流体の薄い膜が残る。その結果、磁性
流体リング１と４との磁性流体が減少して、磁性流体に
より生じた浮力が減少する。ハウジング２の長さが比較
的大きくて、その結果、磁石３の移動距離が長い場合、
あるいは磁石３の移動速度が大きい場合には、ハウジン
グ２の中を磁石３が移動する毎に、磁性流体リング１と
４とから多量の磁性流体が失われて、その結果、磁性流
体リング１と４とが急速に無くなっていく。リング１と
４との減少量が一定量を超えると、磁石３はそれ以上浮
遊させることができず、その結果、装置が故障する。こ
れに加えて、時間の経過と共に、ハウジングの中のベン
チレーション用の穴５と６を経由して磁性流体が消失す
ることがあり、この結果、製品の寿命が短くなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従って、磁性流体セン
サーの応答時間を短くすると同時にその寿命を長くする
ことを発明の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本願発明の原理に従って
製造された磁性流体センサー組立品には、磁石の両端に
おいて磁性流体リングにより真空密閉されたハウジング
の中に浮遊している永久磁石が含まれている。しかしな
がら、このハウジングは十分大きくて、ハウジングの壁
とこの磁石の端との間が磁性流体リングによりシールさ
れることはない。ハウジングの壁は、非相溶性の液体か
らなる薄い膜で覆われており、この膜の上に磁性流体が
乗っている。
【００１１】ハウジングは密閉されているので、磁性流
体が蒸発して消失することはない。磁性流体は選択的に
濡らす液体からなる薄い膜の上に乗っており、ハウジン
グの壁の表面を濡らすことはないので、磁石が動いても
ハウジングの表面に磁性流体の残留膜が残ることはな
い。この磁石は、二つの磁性流体リングにより永久的に
浮遊した状態であり、摩擦なしに滑動するが、時間が経
過しても性能が落ちることがない。
【００１２】一つの実施態様においては、磁性流体との
相溶性がない非磁性流体がハウジングの中に入ってい
る。この非磁性流体がハウジングの壁を濡らし、表面が
形成されて、非磁性流体からなる薄い膜の上に磁性流体
が乗ることとなる。この非磁性流体は、低い粘性を有す
るように選択されて、その結果、磁性流体の入った従来
技術による装置よりも早い応答速度を磁石が持つことと
なる。
【００１３】
【発明の実施の形態】図３に図示されているように、気
密性のハウジング２の中に軸方向に分極された永久磁石
３と非磁性の流体７が入っている。磁石３は、この磁石
の両端に形成された磁性流体リング１と４、及び磁性流
体により形成された浮力によりハウジング２の中に浮遊
している。リング１と４は、磁石３により形成された磁
場により磁石３の両端のところで保持されている。しか
しながら、ハウジング２は十分大きくて、磁性流体リン
グ１と４により磁石３の両端と非磁性ハウジング２の壁
との間がシールされることはなく、このハウジング２は
ガラスあるいはプラスチックで作られることもある。従
って、磁石３が動いても、液体７は磁石３の周りを自由
に動くこととなる。
【００１４】ハウジング２には、磁性流体リング１と４
とは相溶性のない非磁性の液体７が入っている。磁性流
体を取り囲む担体用の液体は、リング１や４のところに
ある磁性流体とは混合することもなく、化学反応を起こ
すこともない。従って、磁性流体のコロイド安定性と物
理特性は、液体７と接触しても変化することがない。こ
の非磁性の液体７は、ハウジング２の内部壁を選択的に
濡らし、その結果、リング１と４とのところにある磁性
流体が非磁性液体７からなる薄い膜の上に乗ることとな
るが、そうでない場合には、薄い膜で覆われていないハ
ウジングの壁に磁性流体が付着することとなる。別の方
法では、濡れることのない別の膜をハウジングの内部壁
の表面に使用することもできる。このような材料には、
例えば、ＴＥＦＬＯＮやその他適当な潤滑剤がある。
【００１５】液体７には多様なタイプの非磁性の液体を
使用することが可能である。水は好ましい液体である
が、しかし、水の凍結温度が高い（０℃）ので、凍結温
度が−８９℃であるイソプロピルアルコール等のアルコ
ールであればどれでも良いが、このようなアルコールと
水とを混合することが好ましい。センサーの温度範囲を
このようにして実質的により低い温度まで広げることが
可能である。水は、典型的な磁性流体の担体用液体とは
相溶性がない。このような担体用液体は、過フルオロポ
リエーテルとして化学的に知られている低分子量のフル
オロカーボンによる液体であることもある。
【００１６】ハウジング２は密閉されているので、磁性
流体の担体が蒸発により消失することはない。更に、磁
石３が動いても、磁性流体リング１や４から磁性流体が
ハウジング１の表面に付いて磁性流体からなる膜が残留
することはない。磁石３は、二つの磁性流体リング１と
４とにより永久的に浮遊しており、時間が経過しても性
能が低下することはない。
【００１７】図４には、センサー用磁石の位置を感知す
るためのメカニズムが図示されている。磁性流体センサ
ー組立品は、図３に図示されたのと同じように本願発明
の原理に従って製造されており、これには、磁石３の両
端のところにある磁性流体リング１と４とにより、気密
性を維持できるように封止されたハウジング２の中に浮
遊している永久磁石３が含まれている。ハウジング２に
は、リング１と４のところにある磁性流体とは相溶性の
ない非磁性の液体７が入っている。図４には、ハウジン
グ２の周囲に配置された誘導コイル８が図示されてお
り、この誘導コイル８がセンサーの磁石３の位置を感知
する。センサーの組立部品の中にある磁石の位置によ
り、コイル８のインダクタンスが影響され、このことに
より、磁石３の位置に依存する電気シグナルが発生す
る。このシグナルを従来方法で電気的に処理することに
より、ハウジング２の振動レベルや傾斜角度に関する情
報が得られる。
【００１８】図５には、ホール効果素子９及び１０によ
りセンサーの磁石３の位置を感知する実施態様が図示さ
れている。この場合には、磁石３により磁場に生じた変
化を検出するための従来方法が使用され、これにより磁
石３の位置が決定される。
【００１９】実際の組立品のハウジング２として、長さ
が４０ｍｍ、外径が８ｍｍ、内径が６ｍｍのガラス製チ
ューブを使ってテストした。ハウジングのチューブ２の
一端は閉じられていた。非磁性の液体７は、非イオン化
水とイソプロパノールを体積比率５０／５０で混合した
ものであった。磁石３は、軸方向に分極された棒状のＡ
ｌｎｉｃｏ ５という磁石で、その長さは１１ｍｍで、
直径は２．５ｍｍであった。リング１と４の磁性流体
は、フルオロカーボンをベースにした磁性流体でその磁
化が３２５ガウスであり、２７℃での粘性が５ｃｐ未満
の磁性流体であった。
【００２０】ハウジング・チューブ２は、水とイソプロ
パノールを５０／５０で混合した混合物７で２回最初に
洗浄した後、次に、その中に、水とイソプロパノールを
５０／５０で混合した混合物７を入れた。磁石３は、こ
の混合物７で洗った。磁石３は、不純物を除去するため
にヘプタンとイソプロパノールで洗浄し、次に、チュー
ブ２の中に入れた。マイクロ・ピペットを使って、約２
５マイクロリットルの磁性流体を磁石のそれぞれの分極
された端に加えた。次に、チューブ２の開放端をプラグ
で塞いだ。しかしながら、混合物７が膨張しても良いよ
うにチューブ２の中には小さな気泡を残した。
【００２１】
【発明の効果】上述のようにして組み立てたものを非相
溶性の混合物７により磁性流体のコロイド安定性が影響
を受けるかどうかを判断するために６ヶ月間に亘ってテ
ストした。この組立品は、時間の経過と共に磁性流体と
混合物７とが相互に混合するかどうかを判断するための
観察も行った。更に実験を重ねて、チューブの壁の表面
に磁性流体からなる薄い膜が磁石の動きにより残るかど
うかを評価した。しかしながら、この組立品では、この
ような問題は何も起こらないことが判った。磁石は、こ
のテスト期間の終わりでも、テスト期間の最初の日と全
く同様に振動に対して応答した。
【００２２】上記の組立品は、水銀をベースにしたセン
サーを代替する振動センサーとしてもテストしたが、好
ましい代替物であることが判明した。
【００２３】この組立品に組み込まれた磁石は、水銀の
高い導電性と同様に高い導電性を呈するものであり、粘
性が低くて非相溶性の液体が存在する場合に磁石が磁性
流体リングにより浮遊しているので、水銀スラグに見ら
れる低摩擦の動きと同様に磁石も動くこととなる。
【００２４】本願発明は、数々の好ましい実施態様に関
して上記のように図示され、かつ、記載されているが、
上記の形態及び詳細部分並びにそれらをその他変更した
ものは、本願発明の主旨と範囲を超えることなく当業者
によって成し得るものである。
【００２５】例えば、ハウジングと磁石は、円筒形の形
状を有しているとして記載されているが、これらの部品
は断面がその他の形状となることもあり得る。このよう
に変更されたもの及びその他の変更されたことが明らか
なものは以下の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】センサー用磁石を浮遊させるために磁性流体の
入った従来技術による磁性流体センサー組立品の模式図
である。
【図２】センサー用磁石を浮遊させるために磁性流体リ
ングを活用する従来技術による他の一つの磁性流体セン
サー組立品の模式図である。
【図３】粘性の低い液体が入ったハウジングの中にセン
サーの磁石を浮遊させるために磁性流体リングを活用す
る本願発明の原理に従って製造された磁性流体センサー
組立品の模式図である。
【図４】本願発明の原理に従って製造された磁性流体セ
ンサー組立品の模式図であり、この模式図には誘導コイ
ルによりセンサー用磁石の位置を感知するところが図示
されている。
【図５】本願発明の原理に従って製造された磁性流体セ
ンサー組立品の模式図であり、この模式図にはホール効
果を使った装置によりセンサーの磁石の位置を感知する
ところが図示されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｆ 1/44 Ｈ０１Ｆ 1/28

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内側の大きさがある内部壁を有し、前記
    内部壁が磁性流体により濡れることのない材料で覆われ
    ている気密性ハウジングと；磁場を発生させるための磁
    極を有する永久磁石で、前記磁石がハウジングの中で移
    動できる永久磁石と；上記磁極のところに配置された磁
    性流体リングで、前記磁性流体リングは上記磁場により
    一定の箇所に保持された磁性流体を有し、上記内部壁の
    内側の大きさよりも小さな外側のサイズを有し、その結
    果、上記磁極と上記ハウジングとの間が上記磁性流体リ
    ングによりシールされない磁性流体リングと；上記ハウ
    ジングの中の上記磁石の位置を検出する検出器；とを有
    する磁性流体センサ。
  2. 【請求項２】 濡れることのない材料でできた上記ハウ
    ジングに上記磁性流体とは非相溶性の液体が入っている
    ことを特徴とする請求項１記載の磁性流体センサー。
  3. 【請求項３】 上記の濡れることのない材料が上記ハウ
    ジングの内部壁に付着した上記液体の層を有することを
    特徴とする請求項２記載の磁性流体センサー。
  4. 【請求項４】 上記磁性流体が粘性を有する担体用液体
    の中に浮遊した磁性粒子から構成されており、かつ、上
    記非磁性の液体が上記磁性流体の粘性よりも低い粘性を
    有していることを特徴とする請求項２記載の磁性流体セ
    ンサー。
  5. 【請求項５】 上記磁石が二つの磁極を有し、磁性流体
    リングが前記二つの磁極のそれぞれの箇所に配置されて
    いることを特徴とする請求項１記載の磁性流体センサ
    ー。
  6. 【請求項６】 上記磁石が円形状の断面を有することを
    特徴とする請求項１記載の磁性流体センサー。
  7. 【請求項７】 上記ハウジングが円形状の断面を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の磁性流体センサー。
  8. 【請求項８】 上記検出器が上記ハウジングの周囲に誘
    導コイルを少なくとも一つ有していることを特徴とする
    請求項１記載の磁性流体センサー。
  9. 【請求項９】 上記検出器がホール効果によるセンサー
    を少なくとも一つ有することを特徴とする請求項１記載
    の磁性流体センサー。
  10. 【請求項１０】 上記検出器が光学式であることを特徴
    とする請求項１記載の磁性流体センサー。
  11. 【請求項１１】 内側の大きさを有する気密性ハウジン
    グと；磁場を発生するために両端を有し、かつ、上記ハ
    ウジングの中で移動可能な永久磁石と；磁石のそれぞれ
    の端の箇所に配置された磁性流体リングで、上記磁性流
    体リングのそれぞれが上記磁場により一定の位置に保持
    された磁性流体から構成されており、かつ、上記ハウジ
    ングの内側の大きさよりも小さなサイズを有することに
    より上記磁性流体リングにより上記磁石の両端と上記ハ
    ウジングとの間がシールされない磁性流体リングと；上
    記磁性流体とは非相溶性の非磁性液体と；上記ハウジン
    グの中の上記磁石の位置を検出する検出器；とを有する
    磁性流体センサー。
  12. 【請求項１２】 上記磁性流体が粘性を有する担体用液
    体の中に浮遊した磁性粒子から構成されており、かつ、
    上記非磁性の液体が上記磁性流体の粘性よりも実質的に
    低い粘性を有していることを特徴とする請求項１１記載
    の磁性流体センサー。
  13. 【請求項１３】 担体用液体が低分子量の過フルオロポ
    リエーテルから構成されていることを特徴とする請求項
    １１記載の磁性流体センサー。
  14. 【請求項１４】 上記磁石が好ましくは円形状の断面を
    有しているを特徴とする請求項１１記載の磁性流体セン
    サー。
  15. 【請求項１５】 上記ハウジングが好ましくは円形状の
    断面を有していることを特徴とする請求項１１記載の磁
    性流体センサー。
  16. 【請求項１６】 上記検出器が上記ハウジングの周囲に
    誘導コイルを少なくとも一つ有することを特徴とする請
    求項１１記載の磁性流体センサー。
  17. 【請求項１７】 上記検出器がホール効果によるセンサ
    ーを少なくとも一つ有することを特徴とする請求項１１
    記載の磁性流体センサー。
  18. 【請求項１８】 上記検出器が光学的検出器を有するこ
    とを特徴とする請求項１１記載の磁性流体センサー。
  19. 【請求項１９】 上記非磁性の液体が水とアルコールと
    の混合物であることを特徴とする請求項１１記載の磁性
    流体センサー。
JP10046293A 1997-02-11 1998-02-10 磁性流体センサー Withdrawn JPH10239096A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/799,121 1997-02-11
US08/799,121 US5780741A (en) 1997-02-11 1997-02-11 Sensor employing a sliding magnet suspended on ferrofluid

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10239096A true JPH10239096A (ja) 1998-09-11

Family

ID=25175086

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP10046293A Withdrawn JPH10239096A (ja) 1997-02-11 1998-02-10 磁性流体センサー

Country Status (4)

Country Link
US (1) US5780741A (ja)
EP (1) EP0857945B1 (ja)
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