(57)【要約】【課題】  極めて簡便な構成且つ低廉なコストで製造可能でありながらも、検出感度を向上させ、広い歪み応力変化域をカバーすることができる磁歪検出型力センサを提供する。【解決手段】  磁歪検出型力センサは、歪み応力若しくは撓み応力又は振動力Ｆが作用する測定面としての低硬度基板１と、この低硬度基板１と接して設置され、当該低硬度基板１に加えられた応力が伝達される磁歪素子２と、この磁歪素子２の低硬度基板１に接している面とは反対側の面に設置された磁石板３と、磁歪素子２による透磁率の変化を検出する磁歪検出コイル４、この磁歪検出コイル４が巻回されたコイルボビン枠５と、少なくとも磁歪素子２を覆うように設けられる磁気ヨーク６とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪素子を用いて応力を検出する磁歪検出型力センサにおいて、
応力が作用する測定面としての低硬度基板と、
上記低硬度基板と接して設置され、当該低硬度基板に加えられた応力が伝達される磁歪素子と、
上記磁歪素子による透磁率の変化を検出する磁歪検出手段とを備えること
を特徴とする磁歪検出型力センサ。
【請求項２】
上記低硬度基板は、感応薄板、フレキシブル基板、又はゴム磁石であることを特徴とする請求項１記載の磁歪検出型力センサ。
【請求項３】
上記磁歪素子は、円柱状とされることを特徴とする請求項１記載の磁歪検出型力センサ。
【請求項４】
上記磁歪素子の上記低硬度基板に接している面とは反対側の面に設置され、所定のバイアス磁界を印加する磁石板を備えることを特徴とする請求項１記載の磁歪検出型力センサ。
【請求項５】
少なくとも上記磁歪素子を覆うように設けられる磁気ヨークを備えることを特徴とする請求項１記載の磁歪検出型力センサ。
【請求項６】
上記磁歪検出手段は、少なくとも上記磁歪素子が内部に挿入され、当該磁歪素子による透磁率の変化をインダクタンス変化としてとらえる磁歪検出コイルであることを特徴とする請求項１記載の磁歪検出型力センサ。
【請求項７】
上記磁歪検出手段は、上記磁歪素子による透磁率の変化を電圧変化としてとらえるホール素子であることを特徴とする請求項１記載の磁歪検出型力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いわゆる超磁歪素子を用いた磁歪検出型力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、歪み応力（圧力）を検出するセンサとしては、例えば、歪みに応じて半導体キャリアの移動度が変化する性質を利用した半導体ストレインゲージといったように、いわゆるピエゾ抵抗効果を用いたセンサが知られている。この種のピエゾ抵抗型センサは、シリコン基板上にダイアフラムを形成するとともに、このダイアフラムの表面にピエゾ抵抗素子を形成したものであり、当該ピエゾ抵抗素子に応力を作用させることによって生じた電気抵抗の変化を検出することにより、構造的歪みを電気的信号に変換するものである。
【０００３】
このようなピエゾ抵抗型センサは、シリコンを基板材料として用いることから、ＩＣ（Integrated Circuit）と同様に、複雑且つ高価な半導体プロセス工程を経て製造され、これに伴い、一般に構成が複雑となり、高価なものになるという問題がある。
【０００４】
そこで、ピエゾ抵抗型センサに比べて構成が簡便なセンサとして、超磁歪素子を用いて外部応力を検出する磁歪検出型力センサが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２０００−１１４６１５号公報
【特許文献２】特開２０００−１１４６１６号公報
【０００５】
具体的には、特許文献１には、磁性体で形成される基板と、この基板に設けた柱状の磁歪素子と、この磁歪素子を同軸状に挿入する筒状の磁歪検出コイルと、この磁歪検出コイルを覆うように基板に設けられ、且つ磁歪素子の先端面に接触するハウジングケースとを備えた磁歪検出型力センサが開示されている。この磁歪検出型力センサにおいては、磁歪素子及び磁歪検出コイルを、球状端面を有するハウジングケースで収納保護することにより、ハウジングケースの球状端面で圧縮応力が分散され、磁歪素子に過大な応力が作用せず耐衝撃性が向上するとしている。
【０００６】
また、特許文献２には、強度の高い磁性体基板と、この基板に固定される磁歪素子と、この磁歪素子を取り囲むように基板に配置される平面状の磁歪検出コイルと、この磁歪検出コイルの両端引出線に接続される端子とを備えた磁歪検出型力センサが開示されている。この磁歪検出型力センサにおいては、磁歪素子の保護ケースが不要となるとともに、磁歪検出コイルの引出線の処理も容易となり、薄型化を図ることができるとしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、磁歪検出型力センサは、その検出感度の向上を図ることが重要であるが、上述したように、ピエゾ抵抗型センサに比べて簡便な構成で実現することができるものであるため、検出感度を向上させるために複雑な加工等を伴う構成は望ましくなく、できる限り簡便な構成で検出感度を向上させることが重要である。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、極めて簡便な構成且つ低廉なコストで製造可能でありながらも、検出感度を向上させ、広い歪み応力変化域をカバーすることができる磁歪検出型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】
【０００９】
上述した目的を達成するために、本発明に係る磁歪検出型力センサは、磁歪素子を用いて応力を検出する磁歪検出型力センサにおいて、応力が作用する測定面としての低硬度基板と、上記低硬度基板と接して設置され、当該低硬度基板に加えられた応力が伝達される磁歪素子と、上記磁歪素子による透磁率の変化を検出する磁歪検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明にかかる磁歪検出型力センサでは、被測定箇所に配置された低硬度基板に応力が作用し、これを磁歪素子に伝達する。低硬度基板は、歪み、たわみ、振動力等の僅かな応力によっても敏感に変位し、直ちに磁歪素子に伝達される。その結果、従来構造の磁歪検出型力センサに比べて、遙かに効率的に応力が伝達され、高感度な力検出が実現される。
【００１１】
ここで、上記低硬度基板としては、感応薄板、フレキシブル基板、又はゴム磁石を用いられ、これら低硬度基板は、応力伝達機能に優れ、高感度測定面として機能する。
【００１２】
また、本発明にかかる磁歪検出型力センサは、上記磁歪素子の上記低硬度基板に接している面とは反対側の面に設置され、所定のバイアス磁界を印加する磁石板を備えることを特徴としている。
【００１３】
磁歪素子は、印加磁界と伸縮量の関係（加わる応力と透磁率変化の関係に相当する。）において、ヒステリシスを有する。そして、印加磁界ゼロ近傍よりも、所定の印加磁界領域において、印加磁界の変化に伴う磁歪素子の伸縮量が大きくなる。前記バイアス磁界を印加する磁石板を設けることで、磁歪素子の長さの伸縮量の勾配が大きい領域を用いて検出を行うことができ、検出感度の向上が図られる。
【００１４】
なお、上記磁歪検出手段としては、少なくとも上記磁歪素子が内部に挿入され、当該磁歪素子による透磁率の変化をインダクタンス変化としてとらえる磁歪検出コイルや、上記磁歪素子による透磁率の変化を電圧変化としてとらえるホール素子を用いることができ、磁歪素子の透磁率変化が効率的に検出される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低硬度基板に作用した応力を、極めて効率よく磁歪素子に伝達することができることから、極めて簡便な構成且つ低廉なコストで製造可能でありながらも、検出感度を向上させることができ、広い歪み応力変化域をカバーすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
この実施の形態は、超磁歪素子を用いて歪み応力（圧力）を検出する磁歪検出型力センサである。特に、この磁歪検出型力センサは、磁歪素子を設置する基板として低硬度のものを用いることにより、極めて簡便な構成且つ低廉なコストで製造可能でありながらも、検出感度を向上させることができるものである。
【００１８】
具体的には、磁歪検出型力センサは、図１に示すように、歪み応力若しくは撓み応力（静圧）又は振動力（動圧）Ｆが作用する低硬度基板１と、この低硬度基板１に設置された磁歪素子２と、この磁歪素子２が低硬度基板１に接している面と対向する面に設置された磁石板３と、少なくとも磁歪素子２が内部に挿入される磁歪検出コイル４と、この磁歪検出コイル４が巻回されたコイルボビン枠５と、少なくとも磁歪素子２を覆うように設けられる磁気ヨーク６とを備える。
【００１９】
このような構成の磁歪検出型力センサにおいては、低硬度基板１に加えられた歪み応力若しくは撓み応力又は振動力Ｆが磁歪素子２に伝達される。ここで、超磁歪材料は、例えば図２に示すように、素子に加わる歪み応力若しくは撓み応力又は振動力Ｆに応じて透磁率μが非線形的に変化するものである。磁歪検出型力センサは、例えば図３に示すように、このような透磁率μの変化を磁歪検出コイル４によるインダクタンスＬの変化としてとらえ、このインダクタンス変化量を歪み応力として検出する。磁歪素子２の透磁率が変化すると、磁歪素子２を通過する磁束量が変化し、磁歪検出コイル４のインダクタンス値が変化する。
【００２０】
ここで、低硬度基板１としては、歪み応力若しくは撓み応力又は振動力Ｆを、極めて効率よく磁歪素子２に伝達するために、剛性の低い、いわゆる可撓性（フレキシビリティ）を有する基板を用いることが必要である。
【００２１】
したがって、低硬度基板１としては、例えば、感応薄板、フレキシブル基板、又はゴム磁石（ラバーマグネット）等を用いることができる。感応薄板としては、例えば、鉄−ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）系合金、鉄−ニッケル−コバルト（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）系合金、又はニッケル金属等を材料とする薄板等を挙げることができ、これら強磁性金属を可撓性を有する支持板上に蒸着、スパッタ等により成膜したもの等であってもよい。また、フレキシブル基板としては、ポリイミドに所定の金属箔等を貼着したものを用いることができる。さらに、ゴム磁石としては、ゴム系のバインダーに、ストロンチウム（Ｓｒ）フェライト又はバリウム（Ｂａ）フェライト等の磁性材料を分散したシート等を挙げることができる。
【００２２】
磁歪素子２には、いわゆる超磁歪特性を有する磁歪材料を用いることが好ましく、例えば、粉末冶金法を用いて低廉なコストのもとに製造することができることから、テルビウム−ディスプロシウム−鉄（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）系合金等が好適である。
【００２３】
粉末冶金法を用いて製造される磁歪材料について説明すると、係る磁歪材料は、例えばＲＴy（ここで、Ｒは１種類以上の希土類元素、Ｔは１種類以上の遷移金属であり、ｙは１＜ｙ＜４である。）で示される組成の合金粉を焼結することによって得られる。
【００２４】
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元素から選択される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等の希土類元素が好ましく、Ｔｂ、Ｄｙがより一層好ましく、これらを混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等の遷移金属が好ましく、これらを混合して用いることができる。
【００２５】
ＲＴyで表される合金のうち、ｙ＝２であるＲＴ2ラーベス型金属間化合物は、キュリー温度が高く、磁歪値が大きいため、磁歪素子に適する。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ＲＴ6相が多くなり、磁歪値が低下する。このため、ＲＴ2がリッチな相を多くするために、ｙは１＜ｙ＜４の範囲が好ましい。
【００２６】
Ｒは、２種以上の希土類元素を混合してもよく、特に、ＴｂとＤｙを混合して用いることが好ましい。具体的には、ＴｂaＤｙ(1-a)で表される合金で、ａは０．２７＜ａ≦０．５０の範囲にあることが一層好ましい。これにより、（ＴｂaＤｙ(1-a)）Ｔyなる合金で、飽和磁歪定数が大きく、大きな磁歪値が得られる。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、逆に０．５０を越えると室温付近では十分な磁歪値を示さない。
【００２７】
Ｔは、特にＦｅが好ましく、ＦｅはＴｂ、Ｄｙと（Ｔｂ、Ｄｙ）Ｆｅ2金属間化合物を形成して、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。したがって、Ｆｅは７０重量％以上であることが好ましく、８０重量％以上であることがより好ましい。
【００２８】
磁歪素子２の形状は任意であり、例えば円柱状等とすればよい。ただし、磁歪検出型力センサにおいては、外部磁界Ｈや応力Ｔが高速に変化する場合、すなわち静圧ではなく動圧が検出対象である場合には、磁歪素子の内部の磁束φがｄφ／ｄｔで変化する。なお、ｔは、時間を示している。これに起因して、磁歪素子には、渦電流が発生することになる。この渦電流は、外部磁界Ｈを打ち消す磁界を発生するものであり、磁歪素子の断面の中心部ほど大きくなる性質を有する。したがって、磁歪検出型力センサにおいては、発生応力が必要な場合には、磁歪素子２として、薄板を積層した形状や小径の円柱状の素子を束ねた構造、又は外周面に所定の溝を穿設した円柱状の素子を用いることが好ましく、これにより渦電流損失を低減することができる。
【００２９】
さらにまた、本実施形態の磁歪検出型力センサには、所定のバイアス磁界を印加するために、磁石板３が設けられている。
【００３０】
磁歪素子２においては、磁歪素子の長さｌは、外部磁界Ｈに応じてΔｌだけ伸縮する。この伸縮量Δｌは、例えば図４に示すように、外部磁界Ｈが大きいほど非線形的に大きくなる傾向がある。ここで、磁歪素子による外部磁界Ｈは、バイアス磁界が加わらない状態の場合には、伸縮量Δｌの勾配が緩やかな０点付近の領域を用いて検出されることになる。換言すれば、磁歪検出型力センサにおいては、磁歪素子における透磁率の変化率Δμが小さくなり、検出感度が悪化する事態を招来し、伸縮量Δｌ（応力に相当）が微弱である場合には、検出不能となる可能性がある。
【００３１】
そこで、本実施形態の磁歪検出型力センサにおいては、かかる不都合を解消すべく、磁石板３を設けて所定のバイアス磁界をかけ、伸縮量Δｌの勾配が大きい領域を用いて磁歪素子２による磁界Ｈの検出を行うことにより、検出感度の向上を図っている。
【００３２】
また、磁歪検出型力センサにおいては、磁気ヨーク６を用いて、少なくとも磁歪素子２を覆うように構成されている。これは、形状に起因して生じる反磁界の影響を考慮したものである。
【００３３】
すなわち、磁歪検出コイルの内部に円柱状の磁歪素子を挿入して磁界を加えた場合には、当該磁歪素子の内部には、磁束密度をＢとすると、透磁率μ＝Ｂ／Ｈに応じた磁化が生じる。これに対して、磁歪素子の両端には、その断面積に比例した反磁界が発生する。この反磁界による影響は、「磁歪素子の長さ／磁歪素子の径」が小さいほど大きくなり、実質的な磁界は低下することになる。
【００３４】
そこで、磁歪検出型力センサにおいては、磁歪素子２の端部に強磁性材料を磁気ヨーク６として設け、磁歪素子２の長さと径との比を実質的に大きくしている。この磁気ヨーク６の材質としては、特に高速駆動を要するものである場合には、フェライト等の渦電流の影響が少ないものを用いるのが望ましい。また、磁気ヨーク６は、磁歪検出型力センサに用いることから、比透磁率を大きくすることが望ましい。特に、磁歪検出型力センサにおいては、磁歪素子２の長さと径との比が小さい場合には、反磁界の影響も加わることから、磁気ヨーク６によって閉磁気回路化することにより、変換効率の向上を図ることができる。
【００３５】
以上説明したように、本発明の実施の形態として示す磁歪検出型力センサは、磁歪素子２を設置する基板として低硬度基板１を用い、これを被測定箇所に配置することにより、歪み応力若しくは撓み応力又は振動力Ｆを、極めて効率よく磁歪素子２に伝達することができる。したがって、磁歪検出型力センサは、極めて簡便な構成且つ低廉なコストで製造可能でありながらも、検出感度を向上させることができ、広い歪み応力変化域をカバーすることができる。
【００３６】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、透磁率μの変化を磁歪検出コイル４によるインダクタンスＬの変化としてとらえるものとして説明したが、本発明は、磁歪検出コイルの代わりに、いわゆるホール素子を用い、磁歪素子２による透磁率の変化を電圧変化としてとらえる場合にも容易に適用することができる。
【００３７】
また、上述した実施の形態では、低硬度基板１を測定面として外部に露呈させた状態で、少なくとも磁歪素子２を覆うように磁気ヨーク６を設けるものとしているが、本発明は、この磁気ヨーク６を保護ケースとして機能させることもでき、また、特に図示しないが、さらに磁気ヨーク６の外面を覆うように所定の保護ケースを設けるようにしてもよい。
【００３８】
このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態として示す磁歪検出型力センサの構成を示す図である。
【図２】磁歪素子に加わる歪み応力若しくは撓み応力又は振動力と透磁率との関係を示す図である。
【図３】磁歪素子に加わる歪み応力若しくは撓み応力又は振動力と磁歪検出コイルによるインダクタンスとの関係を示す図である。
【図４】外部磁界と磁歪素子の伸縮量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  低硬度基板、２  磁歪素子、３  磁石板、４  磁歪検出コイル、５  コイルボビン枠、  ６  磁気ヨーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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