JPS61181902A - 歪計 - Google Patents

歪計

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JPS61181902A
JPS61181902A JP61010324A JP1032486A JPS61181902A JP S61181902 A JPS61181902 A JP S61181902A JP 61010324 A JP61010324 A JP 61010324A JP 1032486 A JP1032486 A JP 1032486A JP S61181902 A JPS61181902 A JP S61181902A
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ペーター　ケルステン
ハンス　フオルツ
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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 本発明は特許請求の範囲第（１）項の序文に示された歪
計に関する。
従来の技術 従来の歪計は金属線もしくは金属箔抵抗素子を使用する
かもしくは薄膜技術により製作されている。これらは力
、距離、重積、加速度もしくは圧力測定センサとして使
用される。
現在量も一般的に使用されている歪計は圧電半導体クリ
スタル（ＤＥ−Ａｓ　　２３　４９４６３）である。こ
れらは一方では圧電効果の直接測定に使用され、他方で
は圧電効果による導電率変化の測定に使用される。大概
の場合、歪計はクリスタルを非試験基板に接合もしくは
螺合することにより間接的に搭載される。薄膜技術で製
作された歪計は例外であるが、全ての圧電クリスタルと
同様構造に従って適応しなければならない。
一般的に間接的搭載によりヒステリシスが生じる圧電効
果のヒステリシスの他に、伸長収縮間で測定誤差が生じ
る。歪計の結晶構造は容易に破損する圧電クリスタルの
鋭い湾曲を許さず、従って応用範囲が制限される。
圧電効果の測定では、連続的な再校正を必要とするため
急速な経年変化は特に不利である。
非常に信頼度の高い歪計は歪計の断面及び長さの変化に
より歪が抵抗変化を生じるような金属細片で形成された
素子である。しかしながら、この変化は非常に小さく、
そのため得られる歪測定値は極めて正確とはならない。
発明が解決しようとする問題点 製作が容易で用途の多い高感度歪計を提供することが本
発明の目的である。
本発明によるこの目的は電流磁気効果を示す強磁性、磁
気異方性、磁歪材の歪計を製作して達成される。
問題点を解決するための手段 本発明による歪計は従来の歪計よりも改善されている。
アモルファス構造のため、製作が容易であたかも金属細
片のように基板上に搭載することができ、しかも半導体
クリスタルの高感度を有し、従って従来の歪計の欠点を
伴うことなく利点が兼備されている。さらに、アモルフ
ァス特性により、従来の歪計よりも大きな歪範囲を有し
ている。また薄膜技術の使用により電気的接点の形成が
容易となる。
アモルファス金属の歪計は蒸着もしくはスパッターリン
グにより製作される。膜が基板上に蒸着され、次に所望
する形状の領域にホトリソグラフィックエツチングが施
される。膜は長さが３Ｍで、幅が１１ｍで厚さは１０〜
１１００ｎの範囲である。
磁気異方性を与えるために、例えば薄膜面に平行な方向
にＨ≧６０　０ｅの強度を有する磁界の存在の元で、膜
をＴ−３００℃の温度で焼鈍する。
処理は４時間行われる。このようにして与えられる磁化
方向はエネルギー的に最も好ましい方向であり、室温に
おいて、磁化方向は常にこの最も好ましい方向と一致す
る。この方向は“容易磁化方向”とも呼ばれる。
歪計の感度は膜の磁化異方性の増大と共に高まる。強度
Ｈ≧６０　０ｅの磁界の存在の元で４時間磁界を膜面内
で回転させながらＴ＝３００℃の温度下で膜を再焼鈍し
て異方性が低減される。
歪計の動作はいくつかの物理的特性の相互作用に基いて
いる。磁化に゛より異方性の導電率が生じる。歪計に張
力及び／もしくは圧縮力を加えると必ず、磁歪作用によ
り磁化方向が変化する。機械的応力に比例して、磁化方
向は９０”まで変化する。歪計の測定範囲は異方性磁界
強度Ｈ３によって決る。また、Ｈｋは使用材料及び磁気
前処理に依存する。異方性導電率の軸は磁化と共に回転
するため、まっすぐな接続線が回転軸内にある２点間の
電気的抵抗は機械的応力に比例して変化する。
このようにして、伸長もしくは圧縮を導電率の変化とし
て測定することができる。
磁気抵抗の他に、第２の電流磁気効果として、平面ホー
ル効果が歪測定に使用される。このため、正規のホール
効果と同様に薄膜を駆動電流が流れるようにもう一つの
構成の歪計が選定される。電荷キャリアをローレンツ（
Ｌｏｒｅｎｔｚ　）力により元の方向から転じるのに磁
界が必要である。駆動電流は一方向に流れる。このよう
にして、電流の方向と直角な磁界成分により電荷キャリ
アは他の２方向と直角な第３の方向に変更される。
この第３の方向でホール電圧が取り出される。
しなしながら、このため、細片状抵抗歪計を一側面を介
して基板に接着しなければならない。このようにして、
平面ホール効果を使用した本発明の歪計により大きな細
片領域を基板へ接続することができる。これは駆動電流
が薄膜面内を流れ、この面内で磁化が行なわれることを
意味する。無歪状態では磁化及び駆動電流は互いに平行
である。
従って、駆動電流に垂直な磁化成分はなく、（平面上も
しくは垂直な）ホール効果がない。磁化が回転すると、
磁気成分従ってホール電圧が生じる。
駆動電流及び磁化を含む面内の駆動電流の方向に直角な
平面ホール電圧が測定される。
実施例 第１図において、Ｆｅ８ｏＢ２ｏのアモルファス金属膜
１３細片が抵抗歪計として基板１１上に蒸着されている
。容易磁化方向は細片面内の縦軸に直角な方向である。
細片端面を被覆しさらに４板１１に付着するように２接
点１２が細片１３の両端に設けられている。これらはＣ
ｒＡｕもしくはＣｏＦｅＢ合金で作られ蒸着もしくはス
パッタリングにより付着されている。２接点間の導電率
の変化が歪の測定値となる。導電率は電気的に測定され
る。本実施例はデジタル歪表示に特に適している。しか
しながら、２つの隣接領域が磁気的に短絡して、歪もな
いのに一部の領域が容易磁化方向から回転する危険性が
ある。
領域の形成を完全に制御するために、歪計（第２ａ図、
第２ｂ図）は２つのゲージ膜、すなわち２つのＦｅＢ細
片２３．２４を有している。後者は一端２６において互
いに接触するように５ｉｎ２１１２５により分離されて
いる。第２ａ図に示すように、接点２２は細片の各他端
に配置されている。このため、第２ａ図に示すように細
片の形状を変更する必要がある。膜は蒸着もしくはスパ
ッタリングにより交互に付着されている。この構成によ
り各細片に一つの領域しか形成されない。容易磁化方向
は細片の縦軸に直角であり、両細片の領域は逆平行であ
る。第１ａ図及び第１ｂ図の実施例において、直流導電
率の変化を評価して歪が測定される。
前記実施例において、測定信号は伸長及び圧縮間でヒス
テリシスを示している。このヒステリシスを抑制するた
めに、この磁化には周波数がνで日成分が容易磁化方向
に直角な外部鋼板電磁界が重畳される。従って磁化は歪
状態により決定される各停止位置の周りを周波数νで振
動する。最大周波数はＭＨ２の範囲内にある。このよう
にして、導電率は中間導電率の周りを周波数νもしくは
２νもしくは２周波数の組合せ周波数で振動する。
測定周波数は磁化の停止位置及び外部交番磁界の畳幅に
依存する。導電率の畳幅の測定値は最大及び最小間の差
である。
対応する構成を第３ａ図及び第３ｂ図に示す。
アモルファス膜３３は細片形状で基板３１上に付着され
る。容易磁化方向は細片の縦軸に平行である。接点３２
が細片の両端に設けられる。アモルファスｌ１ｌＩ３３
は５ｉ０２の絶縁膜で被覆され、接点はそのままとされ
る。絶縁膜３４上にＦｅＢ細片３３と平行な方向にＣｒ
ＡｕもしくはＡＩの細片状膜が付着されている。そこに
加える交流電圧により交番磁界が確立される。
被測定歪は細片の縦軸に平行とする必要はなく、抵抗歪
計を介して伝達されるだけでよい。信号は周期的に変動
するため、直流及び交流電圧成分を電気的に分離するこ
とができ、関連する信号を純粋な交流電圧信号としてさ
らに処理することができる。
次の２つの実施例（第４図および第５図）は平面ホール
効果の使用に基いている。第４図において、５つの接点
４４〜４８を有する円形歪計４３が基板４１上に配置さ
れる。接点４４及び４５間を駆動電流Ｉ、が流れる。接
点４８を含めた接点４６．４７間で平面ホール電圧が取
り出され、駆動電流方向の電圧降下が接点４７及び４８
間で取り出され、ボール電圧を決定する際に考慮するこ
とができる。無歪状態において、容易磁化方向し、Ｒｏ
は駆動電流ｌに平行である。好ましくは、機械的応力の
方向と駆動電流Ｉ、の方向は歪計を歪ませない場合ｑ）
−４５°の角度をなしている。
ＵＨ”−ｓ　ｉ　ｎ　２ψであれば、歪が生じた場合、
ホール電圧が最大値から低減することを意味する。
駆動電流■１が一定であれば、歪は直接電圧値で読み取
ることができる。
磁気抵抗特性を使用して第２図及び第３図に示す実施例
で磁化に交番電磁界を重畳することは平面ホール効果を
使用する場合には可能である（第５図）。この場合、磁
化の符号が測定に入る、すなわち交流電圧がホール電圧
として加えられる。
（もし電磁抵抗特性を使用する場合は、最初に周期的に
変動する直流電圧信号を電子的に分離して純粋な交流電
圧信号を生成しなければならない。）第３ａ図及び第３
ｂ図の実施例において、ホール電圧は交番磁界の周波数
νもしくは２νもしくはこれら２周波数の組合せ周波数
で撮動する。歪の測定値はホール電圧の畳幅であり、そ
れは歪に比例して変動する。歪計はホールプローブであ
る（第５図）。アモルファス膜５３は基板５１上に蒸着
された方形状である。４個の電気接点５４〜５７がコー
ナーに設けられている。駆動電流Ｉｔが接点５４と５５
間を流れ、平面ホール電圧が接点５６と５７間で取り出
される。第４図のように、歪σの方向は駆動電流Ｉの方
向に平行である。膜５３面内にある容易磁化方向り、Ｒ
，と歪の方向は４５°の角度をなしている。容易磁化方
向に平行に延在する巻線を有する平坦コイル５２内に交
番電磁界が生じる。交番電圧がコイル５２の接点５６及
び５７に加えられる。
第６図において、本発明による２個の歪計Ｒ１゜Ｒ２が
ダイアフラム上に搭載され圧カドランスジューサとして
使用される。歪計Ｒ及びＲ４には歪は加わらないが、第
７図に示すブリッジとして使用する場合、温度補償の目
的を果す。第７図において、Ｕ　は印加電圧を示し、Ｕ
、は測定信号を示す。
発明の効果 もちろん、本発明による歪計はアモルファスボロニロン
（ｂｏｒｏｎｉｒｏｎ　）合金（正の磁歪係数）で製造
する必要はない。特に興味があるのは、ニッケルー鉄合
金の形状のアモルファス金属である。
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（原子％）の場合、磁歪係数の符号が
変化し、従ってもつと進んだ設計が可能である。
アモルファス金属は最大保持力が最も低くそれはＢ、Ｃ
，Ｓｉ、Ｑｅ、ｐ、ジルコニウムもしくはニオビウムを
含む合金により変動することができる。
それにもかかわらず、鉄群のｌ１ｎｆＬ属もしくは鉄群
の繊維金属からなる合金を使用することができる。しか
しながら、アモルファス金属に較べ、これらの材料は最
大保持力が高く、従って測定信号の広範なヒステリシス
が生じる。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図は簡単な歪計の平面図、第１ｂ図は第１ａ図の
構成の側面図、第２ａ図は２つのゲージ層を有する歪計
の平面図、第２ｂ図は第２ａ図の構成の断面図、第３ａ
図は交番磁界により変調される歪計、第３ｂ図は第３ａ
図の構成の断面図、第４図は平面ホール電圧を取り出す
歪計、第５図は平面ホール電圧を取り出して交番磁界で
変調する歪計、第６図は圧力計として使用する歪計、第
７図は温度補償ブリッジ回路を示す。 １１．２１．３１．５１・・・・・・基板１２．２２．
３２．４４〜４８．５４〜５７・・・・・・接点 １３．２３．２４・・・・・・細片 ２５・・・・・・Ｓ　ｉ　Ｏ２Ｉ！ ３３．５３・・・・・・アモルファス膜３４・・・・・
・絶縁膜 ５２・・・・・・コイル

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）基板すなわち隔膜上に沈積された薄い接着層から
    なる歪計において、該歪計は磁気電流効果を示す強磁性
    、磁気異方性、磁歪材により製造されることを特徴とす
    る歪計。
  2. （２）特許請求の範囲第（１）項記載の歪計において、
    磁気異方性は常に薄層面内にある好ましい方向を有する
    ことを特徴とする歪計。
  3. （３）特許請求の範囲第（１）項もしくは第（２）項記
    載の歪計において、磁気抵抗特性を使用するために、歪
    計は抵抗歪計（１３）として設計され、好ましくは２つ
    の電気接点（１２）が歪計（１３）の両端に隣接するこ
    とを特徴とする歪計。
  4. （４）特許請求の範囲第（１）項から第（３）項のいず
    れか一項に記載の歪計において、スタック（２６）の一
    端では互いに電気的に接続されスタックの他端では電気
    的接点（２２）が各抵抗歪計に隣接するように２つの歪
    計（２３、２４）が絶縁層（２５）により分離されるこ
    とを特徴とする歪計。
  5. （５）特許請求の範囲第（３）項記載の歪計において、
    絶縁層（３４）により抵抗歪計（３３）から分離されて
    いる電導体（３５）が好ましい磁化方向に平行に配置さ
    れており、周波数νが １Ｈｚ＜ν＜１００ＭＨｚである交流電圧が前記電導体
    （３５）に加えられることを特徴とする歪計。
  6. （６）特許請求の範囲第（１）項もしくは第（２）項記
    載の歪計において、平面ホール効果を使用するために、
    歪計は例えば円形もしくは正方形の２つのほぼ等しい寸
    法を有する領域の薄膜（４３、５３）として設計されて
    おり、前記領域の端に４個の接点（５４〜５７）が出来
    るだけ離れて設けられており、前記４個の接点（５４〜
    ５７）の中の２個の向い合つた接点（５４、５５）は駆
    動電流Ｉの入力端子として使用され、他の２個の接点（
    ５６、５７）は平面ホール電圧の出力端子として働き、
    且つ駆動電流Ｉ＿ｔの入力端子として使用される接点（
    ５４、５５）間を結ぶ直線と無歪状態における好ましい
    磁化方向とは４５°の角度をなすことを特徴とする歪計
    。
  7. （７）特許請求の範囲第（１）項、第（２）項もしくは
    第（６）項記載の歪計において、該歪計は無歪状態にお
    いて好ましい磁化方向と平行である巻線を有する平坦な
    コイルで密閉されており、且つ周波数νが１Ｈｚ＜ν＜
    １００ＭＨｚである交流電圧が前記コイルに印加される
    ことを特徴とする歪計。
  8. （８）特許請求の範囲第（１）項から第（７）項のいず
    れか一項に記載の歪計において、前記材料は鉄群の遷移
    金属であることを特徴とする歪計。
  9. （９）特許請求の範囲第（１）項から第（８）項のいず
    れか一項に記載の歪計において、前記材料は鉄群の遷移
    金属に基いた合金であることを特徴とする歪計。
  10. （１０）特許請求の範囲第（１）項から第（９）項のい
    ずれか一項に記載の歪計において、前記材料はアモルフ
    アス金属であることを特徴とする歪計。
  11. （１１）特許請求の範囲第（１）項から第（１０）項の
    いずれか一項に記載の歪計において、前記アモルフアス
    金属は金属（Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐ）を含むことを特
    徴とする歪計。
  12. （１２）特許請求の範囲第（１）項から第（１１）項の
    いずれか一項に記載の歪計において、前記アモルフアス
    金属はジルコニウム、ハフニウム及び／もしくはニオビ
    ウムを含むことを特徴とする歪計。
  13. （１３）特許請求の範囲第（１）項から第（１２）項の
    いずれか一項記載の歪計において、前記アモルフアス金
    属はＮｉ＿ＸＦｅ＿（＿１＿０＿０＿−＿Ｘ＿）合金で
    あり、ここに６５≦Ｘ≦８０もしくは８２≦Ｘ≦９０（
    原子％）であることを特徴とする歪計。
  14. （１４）特許請求の範囲第（１）項から第（１３）項の
    いずれか一項記載の歪計において、前記アモルフアス金
    属はＦｅ＿ＺＢ＿（＿１＿０＿０＿−＿Ｚ＿）であり、
    ここに６０≦Ｚ≦９（原子％）であることを特徴とする
    歪計。
  15. （１５）特許請求の範囲第（１）項から第（１４）項の
    いずれか一項記載の歪計において、前記薄膜は１０〜１
    ００ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする歪計。
JP61010324A 1985-01-23 1986-01-22 歪計 Pending JPS61181902A (ja)

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DE19853502008 DE3502008A1 (de) 1985-01-23 1985-01-23 Dehnungsaufnehmer
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JP (1) JPS61181902A (ja)
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