JPH11304604A - Sensor and sensor device using magnetostrictor - Google Patents

Sensor and sensor device using magnetostrictor

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JPH11304604A
JPH11304604A JP10123913A JP12391398A JPH11304604A JP H11304604 A JPH11304604 A JP H11304604A JP 10123913 A JP10123913 A JP 10123913A JP 12391398 A JP12391398 A JP 12391398A JP H11304604 A JPH11304604 A JP H11304604A
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JP
Japan
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magnetostrictive element
coil
sensor
change
load
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP10123913A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Koichi Kobayashi
光一 小林
Takatoshi Oyama
貴俊 大山
Shigeo Saito
重男 斉藤
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TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
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Filing date
Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to detect a permeability-change of a magnetostrictor by external force pressed to an inductance-change of a coil to realize small size and cost reduction by eliminating a magnetic circuit including a permanent magnet. SOLUTION: A magnetostrictor 1 and at least one coil 2 placed at the surroundings of the magnetostrictor 1 is housed in a casing 30, and strike plates 11, 14, which are concave surface shaped members located at both sides of the magnetostrictor 1 so that weighting is exerted in the center axis direction of the magnetostrictor 1, are placed in the casing 30. Then, a permeability- change of the magnetostrictor 1 by the weighting is detected as an inductance- change of the coil 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁歪素子を用いる
ことで、加圧時に僅かな変位で加重−インダクタンス特
性を測定し、圧力検出を可能にした磁歪素子を用いたセ
ンサ及び当該センサを2個用いたセンサ装置に関する。
使用用途としては、振動検出装置、加重(圧力)検出装
置等が挙げられる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor using a magnetostrictive element capable of detecting pressure by measuring a load-inductance characteristic with a slight displacement during pressurization by using a magnetostrictive element and a sensor using the same. The present invention relates to a single sensor device.
Uses include a vibration detecting device, a load (pressure) detecting device, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、磁歪素子を用いたセンサとして特
開平8−320337号があり、永久磁石を用いた磁気
回路要素、磁歪素子及びコイルを組み合わせ、外力が加
わることにより、磁歪素子の透磁率変化を伴わせる構造
体にて、コイルに発生する誘起電圧を測定することによ
り外力を検知する構成であった。
2. Description of the Related Art A conventional sensor using a magnetostrictive element is disclosed in JP-A-8-320337. A magnetic circuit element using a permanent magnet, a magnetostrictive element and a coil are combined, and the magnetic permeability of the magnetostrictive element is increased by applying an external force. The external force is detected by measuring the induced voltage generated in the coil in the structure with the change.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、永久磁石を
用いた磁気回路要素を伴う構造体センサは、形状が大型
化するとともに、コストも高くなる問題があった。
Incidentally, the structure sensor having a magnetic circuit element using a permanent magnet has a problem that the shape becomes large and the cost becomes high.

【0004】本発明の第1の目的は、上記の点に鑑み、
外力が加わることによる磁歪素子の透磁率変化をコイル
のインダクタンス変化に変換して検出可能とし、永久磁
石を含む磁気回路を不要として小型化及びコスト低減を
図った磁歪素子を用いたセンサを提供することにある。
[0004] A first object of the present invention is to solve the above problems,
Provided is a sensor using a magnetostrictive element, which is capable of detecting a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive element due to the application of an external force by converting it into a change in the inductance of a coil, eliminating the need for a magnetic circuit including a permanent magnet, and reducing the size and cost. It is in.

【0005】本発明の第2の目的は、外力が加わること
による磁歪素子の透磁率変化をコイルのインダクタンス
変化に変換し、さらにそのインダクタンス変化を簡単な
電子回路構成を用いて電気信号(電圧、電流等)として
出力可能とした磁歪素子を用いたセンサ及びセンサ装置
を提供することを目的とする。
A second object of the present invention is to convert a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive element due to the application of an external force into a change in the inductance of a coil, and to convert the change in the inductance into an electric signal (voltage, It is an object of the present invention to provide a sensor and a sensor device using a magnetostrictive element capable of outputting as a current or the like.

【0006】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。
[0006] Other objects and novel features of the present invention will be clarified in embodiments described later.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の磁歪素子を用いたセンサは、磁歪素子と該
磁歪素子の周囲に配設された少なくとも1つのコイルを
ケーシング内に収納し、加重が前記磁歪素子の中心軸方
向に加わるように前記磁歪素子の両端側に位置する凹面
形状部材を前記ケーシングに設け、前記加重による前記
磁歪素子の透磁率変化を前記コイルのインダクタンス変
化として検出する構成となっている。
In order to achieve the above object, a sensor using a magnetostrictive element according to the present invention comprises a magnetostrictive element and at least one coil disposed around the magnetostrictive element housed in a casing. Then, concave shaped members located at both ends of the magnetostrictive element are provided in the casing so that the weight is applied in the direction of the central axis of the magnetostrictive element, and the change in the magnetic permeability of the magnetostrictive element due to the load is defined as the change in the inductance of the coil. It is configured to detect.

【0008】また、前記磁歪素子を用いたセンサにおい
て、前記磁歪素子に予圧を加えるための予圧調整機構を
前記ケーシングに設けてもよい。
In the sensor using the magnetostrictive element, a preload adjusting mechanism for applying a preload to the magnetostrictive element may be provided in the casing.

【0009】さらに、加重方向と前記磁歪素子の中心軸
方向とが一致するように、前記磁歪素子の両端側の凹面
形状部材に球面状又は半球面状部材をそれぞれ当接させ
て加重を印加するようにするとよい。
Further, a load is applied by bringing spherical or hemispherical members into contact with concave-shaped members on both ends of the magnetostrictive element, respectively, so that the load direction and the central axis direction of the magnetostrictive element coincide with each other. It is good to do so.

【0010】また、前記磁歪素子を用いたセンサが、前
記コイルのインダクタンス変化を外部への出力電気信号
に変換する手段をさらに備え、当該手段が、コイルにパ
ルスを印加するパルス発生回路と、前記パルスの印加か
ら所定時間遅延したタイミングで前記コイル両端の電圧
値をサンプリングするサンプリング回路と、サンプリン
グされた電圧値を外部への出力電気信号に変換する回路
とを有する構成でもよい。
The sensor using the magnetostrictive element further includes means for converting a change in inductance of the coil into an output electric signal to the outside, the means comprising: a pulse generating circuit for applying a pulse to the coil; A configuration may be provided that includes a sampling circuit that samples a voltage value at both ends of the coil at a timing delayed by a predetermined time from the application of the pulse, and a circuit that converts the sampled voltage value to an external output electric signal.

【0011】前記パルス発生回路の発振周波数を100
Hz〜50kHzの範囲とし、サンプリング回数を10
0回〜5万回/秒として、加重変化をリアルタイムで検
出する構成とすることができる。
The oscillation frequency of the pulse generating circuit is set to 100
Hz to 50 kHz and the number of samplings is 10
A configuration in which the weight change is detected in real time at 0 to 50,000 times / sec can be adopted.

【0012】本発明のセンサ装置は、磁歪素子と該磁歪
素子の周囲に配設された少なくとも1つのコイルをケー
シング内に収納し、加重が前記磁歪素子の中心軸方向に
加わるように前記磁歪素子の両端側に位置する凹面形状
部材を前記ケーシングに設け、加重による前記磁歪素子
の透磁率変化を前記コイルのインダクタンス変化として
検出する磁歪素子を用いたセンサを2個有するととも
に、これらの2個のセンサの差動出力を外部への出力電
気信号として出力する差動回路を有する構成となってい
る。
The sensor device according to the present invention is characterized in that the magnetostrictive element and at least one coil disposed around the magnetostrictive element are housed in a casing, and the magnetostrictive element is applied so that a load is applied in the direction of the central axis of the magnetostrictive element. Provided in the casing are concave-shaped members located at both ends of the sensor, and having two sensors using magnetostrictive elements for detecting a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive elements due to a load as a change in inductance of the coil, and including these two sensors. The configuration has a differential circuit that outputs the differential output of the sensor as an output electric signal to the outside.

【0013】前記センサ装置において、前記2個のセン
サの一方は外部からの加重を加えずに温度特性補償の基
準用として用いる構成でもよい。
In the above-described sensor device, one of the two sensors may be used as a reference for temperature characteristic compensation without applying an external load.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る磁歪素子を用
いたセンサ及びセンサ装置の実施の形態を図面に従って
説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a sensor and a sensor device using a magnetostrictive element according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0015】図1乃至図3で磁歪素子を用いたセンサの
センサ本体部SR1を説明する。これらの図において、
1はFe−Ni系磁歪材料等の円柱状磁歪素子であり、
ボビン3に巻線4を施したコイル2がその磁歪素子1の
周囲に設けられている。この場合、ボビン3の内周と磁
歪素子1との間に空洞部5を設けて磁歪素子1とコイル
2とが非接触状態を維持する。あるいは、ボビン3にス
トレスが加わらないようにする。
A sensor body SR1 of a sensor using a magnetostrictive element will be described with reference to FIGS. In these figures,
Reference numeral 1 denotes a columnar magnetostrictive element such as an Fe—Ni-based magnetostrictive material,
A coil 2 in which a winding 4 is applied to a bobbin 3 is provided around the magnetostrictive element 1. In this case, the cavity 5 is provided between the inner periphery of the bobbin 3 and the magnetostrictive element 1 so that the magnetostrictive element 1 and the coil 2 maintain a non-contact state. Alternatively, no stress is applied to the bobbin 3.

【0016】前記磁歪素子1及びコイル2の一方の端面
側には燐青銅等の円板状弾性板10及び焼き入れ鋼等の
圧力受座11が、他方の端面側にステンレス等の当接部
材12、ステンレス等の底部ブロック13、焼き入れ鋼
等の圧力受座14が配設され、圧力受座11以外は磁歪
素子1及びコイル2とともに磁気シールドを兼ねた円筒
状磁性体ヨーク20に収納される。ここで、磁性体ヨー
ク20の両端部をかしめることにより円板状弾性板10
及び圧力受座14を脱落しないように抑えてこれらを一
体化する。
A disc-shaped elastic plate 10 made of phosphor bronze or the like and a pressure receiving seat 11 made of hardened steel are provided on one end face of the magnetostrictive element 1 and the coil 2, and a contact member made of stainless steel is provided on the other end face. 12, a bottom block 13 made of stainless steel or the like, and a pressure seat 14 made of hardened steel or the like are arranged, and other than the pressure seat 11 are housed in a cylindrical magnetic yoke 20 which also serves as a magnetic shield together with the magnetostrictive element 1 and the coil 2. You. Here, the both ends of the magnetic yoke 20 are swaged to form the disc-shaped elastic plate 10.
Then, the pressure receiving seat 14 is integrated so as not to fall off.

【0017】前記圧力受座11はアルミ等の円筒状外装
ケーシング30を前記円筒状磁性体ヨーク20外側に嵌
合し、接着等で固定することにより、弾性板10を介し
て磁歪素子1の一方の端面に当接するように保持され
る。
The pressure receiving seat 11 is formed by fitting a cylindrical outer casing 30 made of aluminum or the like to the outside of the cylindrical magnetic yoke 20 and fixing it by bonding or the like. Is held so as to abut against the end face.

【0018】なお、防水、防塵のために、Oリング35
が圧力受座11とケーシング30間、ボビン3と弾性板
10間、当接部材12と底部ブロック13間、底部ブロ
ック13と磁性体ヨーク20間にそれぞれ設けられてい
る。
The O-ring 35 is used for waterproof and dustproof purposes.
Are provided between the pressure receiving seat 11 and the casing 30, between the bobbin 3 and the elastic plate 10, between the contact member 12 and the bottom block 13, and between the bottom block 13 and the magnetic yoke 20, respectively.

【0019】前記底部ブロック13には、外部からの加
重が加わらない状態においても必要に応じて磁歪素子に
加重(予圧;プレストレス)を与えるために予圧調整の
ためのステンレス等の雄螺子部材15が螺合されてお
り、当接部材12の底部に雄螺子部材15の先端面が当
接し、雄螺子部材15の突出量を加減することで磁歪素
子1両端の遊びを無くするとともに、磁歪素子1に加わ
る予圧を調整可能な予圧調整機構を成している。なお、
雄螺子部材15には受座14の透孔を介して治具で回転
させ得るように係合凹部15aが形成されている。
The bottom block 13 is provided with a male screw member 15 made of stainless steel or the like for adjusting a preload so as to apply a load (preload; prestress) to the magnetostrictive element as necessary even when no external load is applied. The distal end surface of the male screw member 15 abuts on the bottom of the abutting member 12, and the amount of protrusion of the male screw member 15 is adjusted to eliminate play at both ends of the magnetostrictive element 1, and 1 constitutes a preload adjusting mechanism capable of adjusting the preload applied to 1. In addition,
The male screw member 15 is formed with an engagement recess 15 a so that the male screw member 15 can be rotated by a jig through a through hole of the receiving seat 14.

【0020】前記圧力受座11,14は、外部からの測
定加重が加わる1対の球面状部材としての球体40の球
面に面状又は線状に接して加重が磁歪素子1の軸方向に
加わるような凹面部(例えば球面状、円錐面状等)11
a,14aを持つ凹面形状部材を構成している。球体4
0の球面に面状に接する場合、凹面部11a,14aは
球体40の球面に一致する部分球面で球体40に所定幅
で円環状に接触するものである。また、球体40の球面
に線状に接する場合、凹面部11a,14aは円錐面で
あり球体40に円で接触するものである。
The pressure receiving seats 11 and 14 come into planar or linear contact with the spherical surface of a spherical body 40 as a pair of spherical members to which a measuring load from the outside is applied, and a load is applied in the axial direction of the magnetostrictive element 1. Such concave portion (for example, spherical shape, conical shape, etc.) 11
a, 14a are formed. Sphere 4
When it comes into contact with the spherical surface of 0 in a planar manner, the concave portions 11a and 14a are partial spherical surfaces that match the spherical surface of the spherical body 40 and are in circular contact with the spherical body 40 with a predetermined width. When the spherical surface of the spherical body 40 is in linear contact with the spherical surface, the concave portions 11a and 14a are conical surfaces and contact the spherical body 40 with a circle.

【0021】前記コイル2の引出線6は図3のようにケ
ーシング30の切り欠き部31より外部に導出され、図
5又は図9で説明するセンサ回路部SR2に接続され
る。このセンサ回路部SR2の詳細は後述する。
The lead 6 of the coil 2 is led out of the cutout 31 of the casing 30 as shown in FIG. 3, and is connected to the sensor circuit SR2 described with reference to FIG. 5 or FIG. Details of the sensor circuit unit SR2 will be described later.

【0022】図1のように、球体40間に外部からの測
定加重(測定圧力)が加わると、磁歪素子1の一方の端
面側の圧力受座11、弾性板10を介して、及び他方の
端面側の圧力受座14、底部ブロック13、雄螺子部材
15、当接部材12を介して磁歪素子1の軸方向に加重
が印加され、加重の増加に伴い磁歪素子1の透磁率が低
下する。この結果、図4のように、加重が増加するとコ
イル2のインダクタンスは低下していく。つまり、セン
サ本体部SR1では磁歪素子1の透磁率変化をコイル2
のインダクタンス変化として検出する。
As shown in FIG. 1, when a measurement load (measurement pressure) is applied between the spheres 40 from the outside, the magnetostrictive element 1 passes through the pressure receiving seat 11 on one end surface, the elastic plate 10 and the other end. A load is applied in the axial direction of the magnetostrictive element 1 via the pressure receiving seat 14, the bottom block 13, the male screw member 15, and the contact member 12 on the end face side, and the magnetic permeability of the magnetostrictive element 1 decreases with an increase in the load. . As a result, as shown in FIG. 4, when the weight increases, the inductance of the coil 2 decreases. That is, in the sensor body SR1, the change in the magnetic permeability of the magnetostrictive element 1 is
Is detected as a change in inductance.

【0023】なお、外部からの測定加重が加わる1対の
球体40と、該球体40の球面に面状又は線状に接して
加重が磁歪素子1の軸方向に加わるようにする凹面部
(例えば球面状、円錐面状等)11a,14aを持つ圧
力受座11,14とを介在させるのは、磁歪素子1にせ
ん断方向の圧力が加わらないようにするためである。
A pair of spheres 40 to which a measurement load is applied from the outside, and a concave portion (for example, a concave portion (for example, a sphere) which comes into contact with the spherical surface of the sphere 40 in a planar or linear manner so that the load is applied in the axial direction of the magnetostrictive element 1 The reason why the pressure receiving seats 11 and 14 having spherical and conical surfaces 11a and 14a are interposed is to prevent the shear pressure from being applied to the magnetostrictive element 1.

【0024】図1の前記センサ回路部SR2はコイル2
のインダクタンス変化を電気信号の変化、例えば出力電
圧の変化として出力するものである。
The sensor circuit portion SR2 shown in FIG.
Is output as a change in the electric signal, for example, a change in the output voltage.

【0025】図1の磁歪素子1を用いたセンサ本体部S
R1の加重とインダクタンスとの関係は前記した図4の
ように加重が増加するとインダクタンスは低下する特性
である。インダクタンス変化を電気信号として取り出す
方式は、 コイルをLC発振回路を構成する素子として用い、
発振周波数の変化として取り出し、これを電圧又は電流
信号に変換する方式、 コイルを正弦波で励振してその交流インピーダンス
をLCメータと同じ原理で電気信号に変換する方式、 コイルのインダクタンス及び抵抗分をL−R充放電
回路の一部として用い、電気信号に変換する方式 が考えられる。
A sensor body S using the magnetostrictive element 1 of FIG.
The relationship between the weight of R1 and the inductance is such that the inductance decreases as the weight increases, as shown in FIG. The method of extracting the inductance change as an electric signal uses a coil as an element that constitutes an LC oscillation circuit,
A method of extracting the change as the oscillation frequency and converting this to a voltage or current signal, a method of exciting the coil with a sine wave and converting the AC impedance to an electric signal according to the same principle as the LC meter, and the inductance and resistance of the coil A method of converting the signal into an electric signal by using it as a part of an LR charge / discharge circuit is conceivable.

【0026】はコイルQが低く、安定な発振回路の構
成が困難で、高速圧力変化検出にも不適である。は正
弦波発振器、同期検波器等が必要で、高コストであり、
高速測定も困難である。は比較的安価な回路部品で構
成でき、測定速度も高速化できる。
The low coil Q makes it difficult to form a stable oscillating circuit, and is not suitable for high-speed pressure change detection. Requires a sinusoidal oscillator, synchronous detector, etc., and is expensive.
High-speed measurement is also difficult. Can be configured with relatively inexpensive circuit components, and the measurement speed can be increased.

【0027】図5はの方式による磁歪素子を用いたセ
ンサ本体部SR1のコイルのインダクタンス変化を電気
信号に変換して出力するセンサ回路部SR2の原理図で
ある。この図において、E:直流電源電圧、R1:直列
抵抗器、R2:コイル2の抵抗分、L:コイル2のイン
ダクタンス、S:スイッチ回路である。電圧V1:直列
抵抗器R1とコイル2の直列回路に印加される電圧、電
圧V2:コイル2両端の電圧(出力電圧)、電流I1:直
列抵抗器R1とコイル2の直列回路に流れる電流であ
る。
FIG. 5 is a principle diagram of a sensor circuit section SR2 which converts a change in inductance of a coil of a sensor body SR1 using a magnetostrictive element according to the method into an electric signal and outputs the electric signal. In this figure, E: DC power supply voltage, R 1 : series resistor, R 2 : resistance of coil 2, L: inductance of coil 2, S: switch circuit. Voltage V 1 : voltage applied to a series circuit of series resistor R 1 and coil 2, Voltage V 2 : voltage (output voltage) across coil 2, current I 1 : series circuit of series resistor R 1 and coil 2 Is the current flowing through

【0028】図6は図5の回路の各部の電圧、電流のタ
イムチャートであり、スイッチ回路Sをオン、オフして
図6(A)に示す電圧V1のステップ電圧をセンサ本体
部SR1のコイル2を含むL−R充放電回路に印加する
と、同図(B)の電流I1は漸増波形、同図(C)のコ
イル2の両端の電圧V2は漸減波形となり、しかもこれ
らの過渡現象波形はコイル2のインダクタンスにより変
化する。つまり、加重増加(圧力増加)によりコイル2
のインダクタンスは低下するから、図6(C)を拡大し
た図7から明らかなように、圧力増加に伴って電圧V2
の低下度合いは急になる。従って、電圧V2の波形をス
テップ電圧印加から一定期間経過に発生するサンプリン
グパルスでサンプリングすることで、そのサンプリング
出力電圧値からコイル2のインダクタンス、つまり測定
加重を知ることができる。
[0028] FIG. 6 is a time chart of the circuit of each part of the voltage, current in Figure 5, on the switch circuit S, a step voltage of voltages V 1 shown in FIG. 6 off (A) of the sensor body SR1 When applied to the L-R discharge circuit including the coil 2, the current I 1 is gradually increasing waveform of FIG. (B), the voltage V 2 across the coil 2 in FIG (C) becomes gradually decreasing waveform, yet these transients The phenomenon waveform changes depending on the inductance of the coil 2. In other words, the coil 2
Of the voltage V 2 as the pressure increases, as is apparent from FIG. 7 in which FIG. 6 (C) is enlarged.
The degree of decrease becomes steep. Therefore, by sampling at a sampling pulse for generating a waveform of the voltage V 2 for a period of time elapsed from step voltage application, can be known from the sampled output voltage value inductance of the coil 2, i.e. the measurement weight.

【0029】図8はコイル2のインダクタンスLが10
0%〜60%に変化したときの電流I1及び電圧V2のシ
ミュレーション波形の例であり、インダクタンス変化に
伴う電圧V2の波形変化が十分大きいことが判る。
FIG. 8 shows that the inductance L of the coil 2 is 10
An example of a current I 1 and simulation waveforms of the voltage V 2 when the change to 0% to 60%, change in waveform of the voltage V 2 caused by the inductance change is found to be sufficiently large.

【0030】図9は図5及び図6の測定原理を用いたセ
ンサ回路部SR2の具体的回路構成、図10はそのタイ
ムチャートである。これらの図において、パルス発生器
50は図10(A)の方形波を発生するものであり、ス
イッチ回路51は図5の直列抵抗器R1を内蔵してスイ
ッチ・オン時に前記方形波をL−R直列回路であるセン
サ本体部SR1のコイル2に印加する。センサ本体部S
R1の端子電圧(V2)はバッファ回路52に加えられ
る。
FIG. 9 is a specific circuit configuration of the sensor circuit section SR2 using the measurement principle of FIGS. 5 and 6, and FIG. 10 is a time chart thereof. In these figures, the pulse generator 50 is intended to generate a square wave of FIG. 10 (A), the switching circuit 51 is the square wave when the switch-on an internal series resistor R 1 of Figure 5 L -Apply to the coil 2 of the sensor body SR1 which is an R series circuit. Sensor body S
The terminal voltage (V 2 ) of R1 is applied to the buffer circuit 52.

【0031】一方、サンプリングパルス発生器53は、
図10(B)のように前記方形波の立ち上がりから一定
時間遅延した(但し1/2周期未満の遅延量とする)サ
ンプリングパルスを発生してサンプルホールド回路54
に加える。サンプルホールド回路54はサンプリングパ
ルス到来時のバッファ回路52出力をホールドするもの
であり、これらのバッファ回路52、サンプリングパル
ス発生器53及びサンプルホールド回路54がコイル2
へのパルス電圧の印加から所定時間遅延したタイミング
で前記コイル両端の電圧値をサンプリングするサンプリ
ング回路として機能する。
On the other hand, the sampling pulse generator 53
As shown in FIG. 10B, the sampling and holding circuit 54 generates a sampling pulse that is delayed for a predetermined time from the rise of the square wave (provided that the delay amount is less than 1/2 cycle).
Add to The sample and hold circuit 54 holds the output of the buffer circuit 52 when the sampling pulse arrives. The buffer circuit 52, the sampling pulse generator 53 and the sample and hold circuit 54
It functions as a sampling circuit that samples a voltage value at both ends of the coil at a timing delayed by a predetermined time from application of a pulse voltage to the coil.

【0032】図10(C)のようにコイル2のインダク
タンスが変化した場合、前記センサ本体部SR1、つま
りコイル2の端子電圧(V2)はインダクタンスの変化
に伴い電圧の漸減度合いが変化した同図(D)の電圧波
形となる。従って、方形波パルスのコイル2への印加か
ら一定時間遅延したタイミングでサンプリングすること
で得られたサンプルホールド回路54の出力電圧は図1
0(E)のようにインダクタンス低下に対応して低下
し、インダクタンス増加に対応して増加する電圧波形と
なる。これを出力増幅回路55で増幅することで、同図
(F)の出力信号(電圧又は電流)が得られる。ここで
は、出力増幅回路55は図10(E)の波形を反転増幅
した波形を出力しているが、非反転出力であってもよ
い。出力増幅回路55にはゼロ点調節回路56からの信
号が加えられ、出力信号のゼロ点調整が可能となってい
る。
When the inductance of the coil 2 changes as shown in FIG. 10 (C), the terminal voltage (V 2 ) of the sensor main body SR1, that is, the coil 2 has a voltage gradually decreasing with the change of the inductance. The voltage waveform is as shown in FIG. Therefore, the output voltage of the sample and hold circuit 54 obtained by sampling at a timing delayed by a certain time from the application of the square wave pulse to the coil 2 is shown in FIG.
The voltage waveform decreases as the inductance decreases and increases as the inductance increases, as shown in FIG. This is amplified by the output amplifier circuit 55, whereby the output signal (voltage or current) shown in FIG. Here, the output amplifier circuit 55 outputs a waveform obtained by inverting and amplifying the waveform of FIG. 10E, but may output a non-inverted output. The signal from the zero point adjusting circuit 56 is added to the output amplifying circuit 55 so that the output signal can be zero point adjusted.

【0033】なお、前記パルス発生器50の発振周波数
を100Hz〜50kHzの範囲とし、サンプリング回
数を100回〜5万回/秒とすることが好ましい。発振
周波数100Hz未満では、パルス発生のための時定数
が大きくなり、CR等の回路素子が大型化する。また、
発振周波数が50kHzより高いとコイル2の渦電流損
失等が大きくなる問題が発生する。
Preferably, the oscillation frequency of the pulse generator 50 is in the range of 100 Hz to 50 kHz, and the number of samplings is 100 to 50,000 times / second. If the oscillation frequency is less than 100 Hz, a time constant for generating a pulse becomes large, and a circuit element such as a CR becomes large. Also,
If the oscillation frequency is higher than 50 kHz, there is a problem that eddy current loss and the like of the coil 2 increase.

【0034】この図9のセンサ回路部SR2は、回路構
成が簡単で小型に構成でき、高速圧力変化にも追従で
き、加重変化をリアルタイムで検出可能な利点がある。
The sensor circuit part SR2 shown in FIG. 9 has the advantages that the circuit configuration is simple and compact, that it can follow a high-speed pressure change, and that a weight change can be detected in real time.

【0035】この実施の形態によれば、次の通りの効果
を得ることができる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.

【0036】(1) センサ本体部SR1の磁歪素子1の
両端側に、凹面形状部材としての圧力受座11,14を
配設しており、外部からの測定加重を1対の球体40を
介して両方の圧力受座11,14間に加えることで、磁
歪素子1にせん断方向の圧力が加わらないように圧力測
定が可能であり(ケーシング30の姿勢が磁歪素子軸方
向と加重方向とが一致するようになるため)、信頼性の
向上を図ることができる。
(1) Pressure receiving seats 11 and 14 as concave members are provided at both ends of the magnetostrictive element 1 of the sensor main body SR1. Externally applied measurement loads are applied via a pair of spheres 40. By applying the pressure between the pressure receiving seats 11 and 14, the pressure can be measured such that the pressure in the shear direction is not applied to the magnetostrictive element 1 (the posture of the casing 30 coincides with the axial direction of the magnetostrictive element and the load direction). ), The reliability can be improved.

【0037】(2) 底部ブロック13に、外部からの加
重が加わらない状態においても必要に応じて磁歪素子に
加重(予圧)を与えるために予圧調整のための雄螺子部
材15を螺合し、磁歪素子1に加わる予圧を調整可能な
予圧調整機構を構成しており、予圧を適切値に設定する
ことで、磁歪素子1の直線性の良好な領域を外部加重の
測定に使用することができ、直線性の改善を図ることが
できる。
(2) A male screw member 15 for preload adjustment is screwed into the bottom block 13 to apply a load (preload) to the magnetostrictive element as required even when no external load is applied. A preload adjusting mechanism capable of adjusting the preload applied to the magnetostrictive element 1 is configured. By setting the preload to an appropriate value, a region having good linearity of the magnetostrictive element 1 can be used for external load measurement. The linearity can be improved.

【0038】(3) センサ本体部SR1のコイル2のイ
ンダクタンス及び抵抗分をL−R充放電回路の一部とし
て用い、パルス印加から所定時間遅延したタイミングで
コイル2両端の電圧値をサンプリングすることで、外部
加重に起因したコイル2のインダクタンス変化を簡単な
回路構成にて電気信号として取り出すことが可能であ
る。
(3) Using the inductance and resistance of the coil 2 of the sensor body SR1 as a part of the LR charging / discharging circuit, sampling the voltage values at both ends of the coil 2 at a timing delayed by a predetermined time from the pulse application. Thus, the change in inductance of the coil 2 caused by the external load can be extracted as an electric signal with a simple circuit configuration.

【0039】図11は本発明の第2の実施の形態であっ
て、第1の実施の形態の磁歪素子を用いたセンサを2個
組み合わせた構成を示す。この場合、第1の実施の形態
で説明したセンサ本体部SR1及びセンサ回路部SR2
とからなるセンサX,Yを用い、両センサの出力信号を
差動回路としての差動増幅器60で差動増幅した出力を
外部への出力信号としている。但し、パルス発生器5
0、スイッチ回路51、サンプリングパルス発生器53
はセンサX,Yで共用している。
FIG. 11 shows a second embodiment of the present invention, in which two sensors using the magnetostrictive element of the first embodiment are combined. In this case, the sensor body SR1 and the sensor circuit SR2 described in the first embodiment are used.
The sensors X and Y are used, and the output signal of each sensor is differentially amplified by a differential amplifier 60 as a differential circuit, and the output is output to the outside. However, pulse generator 5
0, switch circuit 51, sampling pulse generator 53
Is shared by the sensors X and Y.

【0040】この第2の実施の形態において、センサX
の磁歪素子1を含むセンサ本体部SR1には測定用の外
部加重を加え、センサYのセンサ本体部SR1には外部
加重を加えず(加重ゼロ又は一定加重を加える)に温度
特性補償の基準用として用いれば、差動増幅器60で両
センサの出力増幅回路(又はバッファ)55の出力の差
を取ることで、磁歪素子1の温度による変化分は相殺さ
れ、温度特性の優れた圧力センサ装置が実現できる。
In the second embodiment, the sensor X
An external load for measurement is applied to the sensor main body SR1 including the magnetostrictive element 1 of FIG. When the differential amplifier 60 uses the difference between the outputs of the output amplifier circuits (or buffers) 55 of both sensors, the change due to the temperature of the magnetostrictive element 1 is canceled out, and a pressure sensor device having excellent temperature characteristics can be obtained. realizable.

【0041】なお、センサXのセンサ本体部SR1と、
センサYのセンサ本体部SR1とにそれぞれ別の圧力源
からの加重を加えるようにすれば、2つの圧力源の加重
圧の差を検出できる。このときも両センサの出力の差を
とることで、2個のセンサX,Yが同一温度条件下にあ
れば磁歪素子1の温度による変化分を除去可能である。
Incidentally, the sensor body SR1 of the sensor X,
If a weight from a different pressure source is applied to the sensor body SR1 of the sensor Y, a difference between the weights of the two pressure sources can be detected. At this time, by taking the difference between the outputs of the two sensors, if the two sensors X and Y are under the same temperature condition, the change due to the temperature of the magnetostrictive element 1 can be removed.

【0042】なお、磁歪素子を内蔵したセンサ本体部の
構成部材の材質は適宜変更可能であるが、磁歪素子に圧
力を伝達する部材、すなわち、弾性板10、圧力受座1
1,14、当接部材12,底部ブロック13、雄螺子部
材15は加圧力に十分耐えられる材質、つまり金属製で
あることが望ましい。
The material of the constituent members of the sensor main body incorporating the magnetostrictive element can be changed as appropriate, but a member for transmitting pressure to the magnetostrictive element, that is, the elastic plate 10 and the pressure receiver 1
It is desirable that the contact members 1, 14, the contact member 12, the bottom block 13, and the male screw member 15 be made of a material that can sufficiently withstand the pressing force, that is, metal.

【0043】また、圧力受座11,14に外部の加重を
印加するために当接する1対の球面状部材として球体4
0を用いたが、半球面状部材としてもよい。
A spherical member 4 as a pair of spherical members abutting to apply an external load to the pressure receiving seats 11 and 14 is provided.
Although 0 is used, a hemispherical member may be used.

【0044】以上本発明の実施の形態について説明して
きたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記
載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当
業者には自明であろう。
Although the embodiments of the present invention have been described above, it is obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to the embodiments and various modifications and changes can be made within the scope of the claims. There will be.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る磁歪
素子を用いたセンサによれば、磁歪素子と該磁歪素子の
周囲に配設された少なくとも1つのコイルをケーシング
内に収納し、加重が前記磁歪素子の中心軸方向に加わる
ように前記磁歪素子の両端側に位置する凹面形状部材を
前記ケーシングに設け、前記加重による前記磁歪素子の
透磁率変化を前記コイルのインダクタンス変化として検
出する構成であり、永久磁石を用いた磁気回路が不要で
あり、構成部品が少なく、小型化が可能である。また、
外部の加重により磁歪素子にせん断応力が加わらない構
造であり、磁歪素子のせん断応力による破壊を回避して
信頼性の向上を図ることができる。
As described above, according to the sensor using the magnetostrictive element according to the present invention, the magnetostrictive element and at least one coil disposed around the magnetostrictive element are housed in the casing, and the weight is applied. Is provided on the casing so as to be applied in the direction of the central axis of the magnetostrictive element, and a concave shape member located at both ends of the magnetostrictive element is provided on the casing, and a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive element due to the load is detected as a change in inductance of the coil. This eliminates the need for a magnetic circuit using permanent magnets, reduces the number of components, and enables downsizing. Also,
The structure is such that no shear stress is applied to the magnetostrictive element due to an external load, and the reliability of the magnetostrictive element can be improved by avoiding destruction of the magnetostrictive element due to the shear stress.

【0046】さらに、インダクタンス変化を簡単な回路
構成にて電圧、電流等の電気信号に変換することが可能
である。
Further, it is possible to convert a change in inductance into an electric signal such as a voltage or a current with a simple circuit configuration.

【0047】また、磁歪素子を用いたセンサを2個組み
合わせたセンサ装置によれば、一方の磁歪素子を用いた
センサを温度特性補償の基準用として使用することで、
温度による変化分を相殺していっそう安定な出力を得る
ことができる。また、2カ所の加重圧の差を検出する用
途にも使用できる。
According to the sensor device in which two sensors each using the magnetostrictive element are combined, the sensor using one magnetostrictive element is used as a reference for temperature characteristic compensation.
A more stable output can be obtained by offsetting the change due to temperature. Further, it can also be used for detecting a difference between two load pressures.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態であって、磁歪素子
を用いたセンサにおけるセンサ本体部を示す正断面図で
ある。
FIG. 1 is a front sectional view showing a sensor main body in a sensor using a magnetostrictive element according to a first embodiment of the present invention.

【図2】同平面図である。FIG. 2 is a plan view of the same.

【図3】同側面図である。FIG. 3 is a side view of the same.

【図4】第1の実施の形態において、磁歪素子に加わる
加重とコイルのインダクタンスとの関係を示すグラフで
ある。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a load applied to a magnetostrictive element and an inductance of a coil in the first embodiment.

【図5】第1の実施の形態において、コイルのインダク
タンスの変化を電気信号に変換するセンサ回路部の原理
を説明する基本回路図である。
FIG. 5 is a basic circuit diagram illustrating a principle of a sensor circuit unit that converts a change in inductance of a coil into an electric signal in the first embodiment.

【図6】図5の回路のタイムチャートである。FIG. 6 is a time chart of the circuit of FIG. 5;

【図7】図6のステップ電圧印加後のコイルの端子電圧
変化及びサンプリングのタイミングを示すタイムチャー
トである。
7 is a time chart showing a change in terminal voltage of a coil and a timing of sampling after application of a step voltage in FIG. 6;

【図8】インダクタンスの変化に伴うコイルの端子電圧
変化を拡大して示すシミュレーション波形図である。
FIG. 8 is a simulation waveform diagram showing, in an enlarged manner, a change in terminal voltage of a coil accompanying a change in inductance.

【図9】第1の実施の形態において、コイルのインダク
タンスの変化を電気信号に変換するセンサ回路部のブロ
ック図である。
FIG. 9 is a block diagram of a sensor circuit unit that converts a change in inductance of a coil into an electric signal in the first embodiment.

【図10】図9のセンサ回路部のタイムチャートであ
る。
FIG. 10 is a time chart of the sensor circuit section of FIG. 9;

【図11】第1の実施の形態で示した磁歪素子を用いた
センサを2個組み合わせたセンサ装置のブロック図であ
る。
FIG. 11 is a block diagram of a sensor device in which two sensors each using the magnetostrictive element described in the first embodiment are combined.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 円柱状磁歪素子 2 コイル 3 ボビン 4 巻線 5 空洞部 10 弾性板 11,14 圧力受座 12 当接部材 13 底部ブロック 15 雄螺子部材 20 磁性体ヨーク 30 外装ケーシング 31 切り欠き部 40 球体 SR1 センサ本体部 SR2 センサ回路部 50 パルス発生器 51 スイッチ回路 52 バッファ回路 53 サンプリングパルス発生器 54 サンプルホールド回路 55 出力増幅回路 56 ゼロ点調節回路 60 差動増幅器 X,Y センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylindrical magnetostrictive element 2 Coil 3 Bobbin 4 Winding 5 Cavity part 10 Elastic plate 11, 14 Pressure seat 12 Contact member 13 Bottom block 15 Male screw member 20 Magnetic yoke 30 Exterior casing 31 Notch part 40 Spherical SR1 sensor Main unit SR2 Sensor circuit unit 50 Pulse generator 51 Switch circuit 52 Buffer circuit 53 Sampling pulse generator 54 Sample hold circuit 55 Output amplifier circuit 56 Zero adjustment circuit 60 Differential amplifier X, Y sensor

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 磁歪素子と該磁歪素子の周囲に配設され
た少なくとも1つのコイルをケーシング内に収納し、加
重が前記磁歪素子の中心軸方向に加わるように前記磁歪
素子の両端側に位置する凹面形状部材を前記ケーシング
に設け、前記加重による前記磁歪素子の透磁率変化を前
記コイルのインダクタンス変化として検出することを特
徴とする磁歪素子を用いたセンサ。
1. A magnetostrictive element and at least one coil disposed around the magnetostrictive element are housed in a casing, and are located at both ends of the magnetostrictive element so that a load is applied in a direction of a center axis of the magnetostrictive element. A sensor using a magnetostrictive element, wherein a concave-shaped member to be formed is provided in the casing, and a change in magnetic permeability of the magnetostrictive element due to the load is detected as a change in inductance of the coil.
【請求項2】 前記磁歪素子に予圧を加えるための予圧
調整機構を前記ケーシングに設けた請求項1記載の磁歪
素子を用いたセンサ。
2. The sensor according to claim 1, wherein a preload adjusting mechanism for applying a preload to the magnetostrictive element is provided in the casing.
【請求項3】 加重方向と前記磁歪素子の中心軸方向と
が一致するように、前記磁歪素子の両端側の凹面形状部
材に球面状又は半球面状部材をそれぞれ当接させて加重
を印加する請求項1又は2記載の磁歪素子を用いたセン
サ。
3. A load is applied by bringing spherical or hemispherical members into contact with concave-shaped members on both ends of the magnetostrictive element, respectively, such that the load direction matches the central axis direction of the magnetostrictive element. A sensor using the magnetostrictive element according to claim 1.
【請求項4】 前記コイルのインダクタンス変化を外部
への出力電気信号に変換する手段をさらに備え、当該手
段が、コイルにパルスを印加するパルス発生回路と、前
記パルスの印加から所定時間遅延したタイミングで前記
コイル両端の電圧値をサンプリングするサンプリング回
路と、サンプリングされた電圧値を外部への出力電気信
号に変換する回路とを有している請求項1,2又は3記
載の磁歪素子を用いたセンサ。
4. A device for converting a change in inductance of the coil into an output electric signal to the outside, the device comprising: a pulse generating circuit for applying a pulse to the coil; and a timing delayed by a predetermined time from the application of the pulse. 4. The magnetostrictive element according to claim 1, further comprising a sampling circuit for sampling a voltage value at both ends of the coil, and a circuit for converting the sampled voltage value to an external output electric signal. Sensor.
【請求項5】 前記パルス発生回路の発振周波数を10
0Hz〜50kHzの範囲とし、サンプリング回数を1
00回〜5万回/秒として、加重変化をリアルタイムで
検出する請求項4記載の磁歪素子を用いたセンサ。
5. An oscillation frequency of said pulse generating circuit is set to 10
0 Hz to 50 kHz, sampling frequency is 1
The sensor using the magnetostrictive element according to claim 4, wherein the weight change is detected in real time at a rate of 00 to 50,000 times / sec.
【請求項6】 磁歪素子と該磁歪素子の周囲に配設され
た少なくとも1つのコイルをケーシング内に収納し、加
重が前記磁歪素子の中心軸方向に加わるように前記磁歪
素子の両端側に位置する凹面形状部材を前記ケーシング
に設け、加重による前記磁歪素子の透磁率変化を前記コ
イルのインダクタンス変化として検出する磁歪素子を用
いたセンサを2個有するとともに、これらの2個のセン
サの差動出力を外部への出力電気信号として出力する差
動回路を有することを特徴とするセンサ装置。
6. A magnetostrictive element and at least one coil disposed around the magnetostrictive element are housed in a casing, and are located at both ends of the magnetostrictive element such that a load is applied in a direction of a center axis of the magnetostrictive element. A sensor having a magneto-resistive element for detecting a change in magnetic permeability of the magnetostrictive element due to a load as a change in inductance of the coil, and a differential output of the two sensors. A differential circuit that outputs a signal as an output electric signal to the outside.
【請求項7】 前記2個のセンサの一方は外部からの加
重を加えずに温度特性補償の基準用とする請求項6記載
のセンサ装置。
7. The sensor device according to claim 6, wherein one of the two sensors serves as a reference for temperature characteristic compensation without applying an external load.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1605239A3 (en) * 2004-06-07 2007-07-18 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Load detector and transport equipment including the same
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