(57)【要約】【課題】  インダクタンスのヒステリシス特性が低減されたセンサを提供する。【解決手段】  外圧を受けることにより軸方向に伸縮する筒状の磁歪素子１と、磁歪素子１の外周側に配置され、磁歪素子１の透磁率の変化をインダクタンスの変化として検出する検出コイル２と、磁歪素子１の内周側に配置され、磁歪素子１に磁界を印加する極異方性円筒磁石３とを備えるセンサ。極異方性円筒磁石３は、磁歪素子１の周方向に磁界を印加する。この磁界は、磁歪素子１の伸縮方向と直交する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に圧力を受けることにより伸縮する磁歪素子と、
前記伸縮に応じた前記磁歪素子の透磁率の変化を検出する検出手段と、
前記磁歪素子の前記伸縮方向と交差する方向の磁界を前記磁歪素子に印加する磁界印加手段と、
を備えることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記磁歪素子は、中空部を有する筒状体から構成され、
前記検出手段は、前記筒状体と同軸上に配置されるコイルから構成され、
前記磁界印加手段は、前記筒状体と同軸上に配置される筒状永久磁石から構成されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記コイルは前記筒状体の周囲に配置され、前記筒状永久磁石は前記筒状体の中空部に配置されることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記筒状永久磁石は、極異方性永久磁石であることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記伸縮方向と前記磁界印加手段による前記磁界が略直交することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ。
【請求項６】
前記磁歪素子は、ＲＴy（ここで、Ｒは１種類以上の希土類金属、Ｔは１種類以上の遷移金属であり、ｙは１＜ｙ＜４を表す。）で示す組成を有する焼結体から構成され、前記筒状永久磁石は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石から構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載のセンサ。
【請求項７】
外圧を受けることにより軸方向に伸縮する筒状の磁歪素子と、
前記磁歪素子の外周側に配置され、前記磁歪素子の透磁率の変化をインダクタンスの変化として検出するコイルと、
前記磁歪素子の内周側に配置され、前記磁歪素子に磁界を印加する極異方性筒状永久磁石と、
を備えることを特徴とするセンサ。
【請求項８】
前記極異方性筒状永久磁石は、前記磁歪素子に対して、その周方向にバイアス磁界を印加することを特徴とする請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記バイアス磁界の印加により、前記伸縮の過程におけるインダクタンス値のヒステリシスが低減されることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
磁歪素子の軸方向の伸縮による前記磁歪素子の透磁率の変化を検出するステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）において、前記磁歪素子に対して前記伸縮方向と略直交するバイアス磁界を印加するステップ（ｂ）と、
を備えることを特徴とする磁歪センサのセンシング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪素子を用いたセンサに関し、特にインダクタンスのヒステリシス特性が低減されたセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
強磁性体を磁化したときに、強磁性体の寸法が変化する現象を磁歪といい、このような現象を生ずる材料を磁歪材料という。磁歪による飽和変化量である飽和磁歪定数は、一般には１０-5〜１０-6の値を有し、大きな飽和磁歪定数を有する磁歪材料は超磁歪材料とも呼ばれ、振動子、フィルター、センサ等に広く利用されている。一方で、超磁歪材料は、機械的な圧縮、伸長、捻りなどの圧力を受けて変形すると、その力の速度や大きさに応じて磁気特性、具体的には透磁率が変化する。この透磁率の変化をコイルのインダクタンスの変化として検出することにより、圧力の大きさを測定することができる。
【０００３】
このような原理を利用した圧力センサとして、特開平８−３２０３３７号公報（特許文献１）、特開２０００−２６６６２１号公報（特許文献２）及び特開２００３−１５６３８２号公報（特許文献３）に開示されているものが知られている。
この中で、特許文献１は、磁歪素子の透磁率変化にともなう渦電流を抑制することを目的として、軸方向の全長にわたって形成された空洞部を有する磁歪素子を用いることを提案している。
また、特許文献２は、コイルのインダクタンス変化の温度特性を低減することを目的として、磁歪素子の加重方向に略平行にバイアス磁界を印加する永久磁石を設けることを提案している。
【０００４】
以上のような提案により、磁歪素子を用いた磁歪センサの性能は向上しているが、磁歪センサの有する本質的な課題が他にある。この課題は、受けた圧力の大きさとコイルのインダクタンスの変化との関係がヒステリシス特性を有していることである。ここで、ヒステリシス特性とは、ある物の状態が現在置かれている条件だけで定まらず、過去にその物が経てきた状態の履歴によって左右される現象のことをいう。具体的には、圧力が増加する場合と減少する場合とで異なるインダクタンス値が得られてしまう。このヒステリシス特性が存在するとセンサとしての測定精度が低下してしまう。そこで提案されたのが特許文献３の技術である。すなわち特許文献３は、インダクタンス検出のための第１コイルと、磁歪素子のヒステリシス特性を除去するためにインパルス状の電流を流すための第２コイルとを、磁歪素子を取り囲んで二重に巻回した構成の圧力センサを提案している。特許文献３によると、インパルス状の電流を流すことにより、磁歪素子における磁気モーメントの方向が揃い、ヒステリシスは抑制される。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３２０３３７号公報
【特許文献２】特開２０００−２６６６２１号公報
【特許文献３】特開２００３−１５６３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献３に開示された技術は、インダクタンスのヒステリシス特性を抑制するために有効な技術であるが、インパルス状の電流を供給する電源、電流の供給制御回路を別途設ける必要があり、この回路は磁歪センサのコスト上昇を招く。また、インパルス状の電流を供給することにより第２コイルの発熱が不可避であり、この発熱は測定精度に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００７】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、インダクタンスのヒステリシス特性が低減されたセンサを提供することを目的とする。また本発明は、ヒステリシス特性を低減することのできる磁歪センサのセンシング方法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】
【０００８】
本発明者らは、磁歪素子が伸縮する方向と交差、典型的には直交する磁界を磁歪素子に印加することにより、ヒステリシス特性を低減できることを確認した。すなわた本発明は、軸方向に圧力を受けることにより伸縮する磁歪素子と、伸縮に応じた磁歪素子の透磁率の変化を検出する検出手段と、磁歪素子の伸縮方向と交差する方向の磁界を磁歪素子に印加する磁界印加手段と、を備えるセンサにより、前記課題を解決するに至った。
【０００９】
本発明のセンサの具体的な形態として、磁歪素子は、中空部分を有する筒状体から構成され、検出手段は、筒状体と同軸上に配置されるコイルとし、磁界印加手段は、筒状体と同軸上に配置される筒状永久磁石とすることができる。この形態において、コイルを筒状体の周囲に配置し、筒状永久磁石を筒状体の中空部に配置することが望ましい。この筒状永久磁石とし、極異方性永久磁石を用いることができ、この場合、磁歪素子の伸縮方向と磁界印加手段による磁界とは略直交することになる。
【００１０】
本発明のセンサにおいて、磁歪素子としては、ＲＴy（ここで、Ｒは１種類以上の希土類金属、Ｔは１種類以上の遷移金属であり、ｙは１＜ｙ＜４を表す。）で示す組成を有する焼結体を用いることが望ましい。
また、本発明のセンサにおいて、筒状永久磁石は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石から構成することが望ましい。
【００１１】
本発明はまた、外圧を受けることにより軸方向に伸縮する筒状の磁歪素子と、磁歪素子の外周側に配置され、磁歪素子の透磁率の変化をインダクタンスの変化として検出するコイルと、磁歪素子の内周側に配置され、磁歪素子に磁界を印加する極異方性筒状永久磁石と、を備えることを特徴とするセンサを提供する。
【００１２】
本発明のセンサにおいて、極異方性筒状永久磁石は、磁歪素子に対して、その周方向にバイアス磁界を印加することになり、このようなバイアス磁界を印加することにより、伸縮の過程におけるインダクタンス値のヒステリシス特性を低減することができる。
【００１３】
本発明はまた、これまでにない新規な磁歪センサのセンシング方法を提供することになる。この磁歪センサのセンシング方法は、磁歪素子の軸方向の伸縮による磁歪素子の透磁率の変化を検出するステップ（ａ）と、ステップ（ａ）において、磁歪素子に対して伸縮方向と略直交するバイアス磁界を印加するステップ（ｂ）と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、磁歪素子を用いたセンサのヒステリシス特性を低減することにより、測定精度の向上に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて本発明を説明する。
図１は本実施の形態における磁歪センサ１０の縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
磁歪センサ１０は、磁歪素子１と、検出コイル２と、極異方性円筒磁石３とを備えている。
円筒状をなしている磁歪素子１は、外部からその軸方向に圧力が加わると、当該圧力に応じてその透磁率が変化する。磁歪素子１に圧縮応力が加わると透磁率は減少し、逆に引張り応力が加わると透磁率は増加する。磁歪素子１として望ましい組成物については後述する。
【００１６】
円筒状の磁歪素子１の周囲には、磁歪素子１と同軸上に検出コイル２が配置されている。したがって、磁歪素子１が軸方向に圧力を受けてその透磁率が変化すると、検出コイル２のインダクタンスが変化する。つまり、磁歪センサ１０は外部からの圧力による磁歪素子１の透磁率の変化を検出コイル２に発生するインダクタンスの変化として測定することにより、圧力を検知することができる。
【００１７】
円筒状の磁歪素子１の中空部には、磁歪素子１と同軸上に極異方性円筒磁石３が配置されている。極異方性円筒磁石３は、図３に示すように、磁歪素子１に対してその周方向にバイアス磁界を印加する。このバイアス磁界は、磁歪素子１の伸縮方向と交差、より具体的には直交する。バイアス磁界を磁歪素子１に印加することにより、後述するように、磁歪素子１の伸縮の過程におけるインダクタンスのヒステリシス特性を低減することができる。
【００１８】
磁歪センサ１０は、強磁性体で構成されるケーシング４及び圧力受け５を備えている。カップ状のケーシング４は、磁歪素子１、検出コイル２、極異方性円筒磁石３を収納している。圧力受け５は磁歪素子１の上端に固定されている。磁歪センサ１０は、外部からの圧力を圧力受け５が受けて磁歪素子１が伸縮することによりその透磁率が変化し、この透磁率の変化に基づく検出コイル２のインダクタンス変化によって前記外部からの圧力を測定することができる。
【００１９】
本実施の形態における磁歪素子１としては、ＲＴy（ここで、Ｒは１種類以上の希土類金属、Ｔは１種類以上の遷移金属であり、ｙは１＜ｙ＜４を表す。）で示す組成の焼結体を用いることが望ましい。
ここで、Ｒは、Ｙを含むランタノイド系列、アクチノイド系列の希土類金属から選択される１種以上を表している。これらの中で、Ｒとしては、特に、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏの希土類金属が望ましく、Ｔｂ、Ｄｙがより一層望ましく、これらを複合して用いることができる。Ｔは、１種以上の遷移金属を表している。これらの中で、Ｔとしては、特に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ等の遷移金属が望ましく、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉが一層望ましく、これらを複合して用いることができる。
【００２０】
組成式ＲＴyにおいて、ｙ＝２のときにＲとＴとが形成するＲＴ2ラーベス型金属間化合物は、キュリー温度が高く、かつ磁歪値が大きいため、磁歪素子１として最も適する。ここで、ｙが１以下では、焼結後の熱処理でＲＴ相が析出して磁歪値が低下する。また、ｙが４以上では、ＲＴ3相又はＲＴ5相が多くなり、磁歪値が低下する。このため、ＲＴ2相を多くするために、１＜ｙ＜４の範囲が望ましい。Ｒとして複数種の希土類金属を用いてもよく、特に、ＴｂとＤｙを用いることが望ましい。ＲとしてＴｂとＤｙを用いる場合、（ＴｂaＤｙ(1-a)）Ｔyで表される組成とすることにより、飽和磁歪定数が大きく、大きな磁歪値を得ることができる。ここで、ａが０．２７以下では室温以下では十分な磁歪値を示さず、０．５０を超えると室温付近では十分な磁歪値を示さない。Ｔは、特に、Ｆｅが望ましく、ＦｅはＴｂ、Ｄｙと（Ｔｂ、Ｄｙ）Ｆｅ2型金属間化合物を形成することによって、大きな磁歪値を有し磁歪特性の高い焼結体が得られる。このときに、Ｆｅの一部をＣｏ、Ｎｉで置換するものであってもよいが、Ｃｏは磁気異方性を大きくするが透磁率を低くし、また、Ｎｉはキュリー温度を下げ、結果として常温・高磁場での磁歪値を低下させるために、Ｆｅは７０ｗｔ％以上、一層望ましくは８０ｗｔ％以上が良い。
【００２１】
本実施の形態における極異方性円筒磁石３としては、磁気特性の高いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石を用いることが望ましい。この焼結磁石は、Ｎｄ：２０〜４０ｗｔ％、Ｂ：０．５〜４．５ｗｔ％、Ｆｅ：残部の組成とすることが望ましい。Ｎｄの量が２０ｗｔ％未満であると、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の主相となるＲ2Ｆｅ14Ｂ相の生成が十分でなく軟磁性を持つα−Ｆｅなどが析出し、保磁力が著しく低下する。一方、Ｎｄが４０ｗｔ％を超えると主相であるＲ2Ｆｅ14Ｂ相の体積比率が低下し、残留磁束密度が低下する。またＮｄが酸素と反応し、含有する酸素量が増え、これに伴い保磁力発生に有効なＮｄ−リッチ相が減少し、保磁力の低下を招くため、Ｎｄの量は２０〜４０ｗｔ％とするのが望ましい。ここで、Ｎｄの一部を、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ及びＹの１種又は２種以上で置換することができる。
また、ホウ素Ｂが０．５ｗｔ％未満の場合には高い保磁力を得ることができない。ただし、ホウ素Ｂが４．５ｗｔ％を超えると残留磁束密度が低下する傾向がある。したがって、上限を４．５ｗｔ％とする。望ましいホウ素Ｂの量は０．５〜１．５ｗｔ％である。
さらに、Ｍを加えてＮｄ−Ｆｅ−Ｂ−Ｍ系焼結磁石とすることもできる。ここで、Ｍとしては、Ｃｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｃ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｗ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ａｇ及びＧａなどの元素を１種又は２種以上添加することができる。
【００２２】
以上説明した磁歪センサ１０は、磁歪素子１の周囲に検出コイル２を配置し、また磁歪素子１の中空部に極異方性円筒磁石３を配置する構成としたが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、図４に示すように、磁歪素子１の外周側に検出コイル２を配置し、さらに検出コイル２の中空部に極異方性円筒磁石３を配置する構成とした磁歪センサ２０とすることもできる。なお、図４において、磁歪センサ１０と同一の構成要素については同一の符号を付している。
また、磁歪センサ１０は、極異方性円筒磁石３として、極数が２の磁石を用いたが、２極を超える極数の極異方性円筒磁石を用いることもできる。
さらに、磁歪センサ１０は、バイアス磁界を磁歪素子１に印加する手段として極異方性円筒磁石３を用いたが、ラジアル異方性円筒磁石を用いることもできる。
磁歪センサ１０、２０は、本発明の望ましい形態を示しているが、本発明の趣旨に反しない範囲で構成を適宜変更することができることは言うまでもない。
【実施例】
【００２３】
磁歪素子１の素材としてＴＤＫ（株）製のＰＭＴ−１（商品名）を用い、また極異方性円筒磁石３の素材としてＴＤＫ（株）製のＮＥＯＲＥＣ  ４２Ｈ（商品名）を用いて、磁歪センサ１０と同様の構成の磁歪センサ（本発明磁歪センサ）を作成した。なお、ＰＭＴ−１はＴｂ0.34Ｄｙ0.66Ｆｅ1.8の組成を有する焼結体からなる超磁歪材料である。また、ＮＥＯＲＥＣ  ４２Ｈは、保磁力（ＨｃＪ）１５００ｋＡ／ｍ、残留磁束密度（Ｂｒ）１３５０ｍＴの特性を有するＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石である。
また、磁歪素子１は、外径６ｍｍ、内径４ｍｍ、長さ８ｍｍの寸法を有し、極異方性円筒磁石３は、外径３．８ｍｍ、内径２ｍｍ、長さ７ｍｍの寸法を有している。
また、比較として、極異方性円筒磁石３を設けない以外は、上記磁歪センサ１０と同様の構成の磁歪センサを作製した（比較磁歪センサ）。
【００２４】
本発明磁歪センサ及び比較磁歪センサを用いて、インダクタンスの圧力による変化を測定した。測定にあたっては、ＬＣＲメータによって１ｋＨｚ、３００ＡＴ／ｍ低度の交流磁界を印加した。その結果を図５（本発明磁歪センサ）及び図６（比較磁歪センサ）に示す。
【００２５】
次に、図５及び図６に示す測定結果から、インダクタンス変化の直線性及びヒステリシス値を求めた。
インダクタンスの変化は、図５に点線で示すように直線（線形）であることが理想的である。そこで、この直線に対して実際のインダクタンスがどの程度ずれているかを直線性として求めた。具体的には、図５に示すように、インダクタンスの全変化量（ａ）に対する所定圧力におけるインダクタンスのずれ値（ｂ）の比率（ｂ／ａ×１００）を直線性とした。その結果を図７に示す。
また、所定の圧力における加圧時のインダクタンスと減圧時のインダクタンスの差をヒステリシス値として求めた。その結果を図８に示す。
【００２６】
図５及び図６に示すように、本発明磁歪センサ及び比較磁歪センサのいずれであっても、圧力変化によるインダクタンス値にはヒステリシス特性が存在する。しかし、図７及び図８に示すように、バイアス磁界を磁歪素子１に印加する本発明磁歪センサは、比較磁歪センサに比べて、インダクタンス変化の直線性が向上し、かつヒステリシス特性も軽減されることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施の形態におけるセンサを示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】本実施の形態におけるセンサの極異方性円筒磁石により印加される磁界を説明する図である。
【図４】他の実施の形態におけるセンサを示す縦断面図である。
【図５】本発明磁歪センサにおける、インダクタンスの圧力による変化を示すグラフである。
【図６】比較磁歪センサにおける、インダクタンスの圧力による変化を示すグラフである。
【図７】インダクタンスの全変化量（ａ）に対する所定圧力におけるインダクタンスのずれ値（ｂ）の比率と圧力の関係を示す図である。
【図８】インダクタンスのヒステリシス値と圧力の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１…磁歪素子、２…検出コイル、３…極異方性円筒磁石、４…ケーシング、５…圧力受け、１０，２０…磁歪センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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