(57)【要約】【課題】磁性層が圧縮する方向および引っ張られる方向の圧力を区別して測定し得る歪センサを提供する。【解決手段】ガラス板などで形成されて可撓性を有する基板１１と、基板１１の表面に磁歪材料を用いて形成された磁性層１２と、磁性層１２に接続された一対の電極１３ａ，１３ｂとを備え、磁性層１２は、一様な磁場中で形成されることによって一軸性の磁気異方性が付与されて、電流方向に対する磁化容易軸の角度が４５°に規定されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する基板と、当該基板の表面に磁歪材料を用いて形成された磁性層と、当該磁性層に接続された一対の電極とを備え、
前記磁性層は、電流方向に対する磁化容易軸の角度が４５°またはほぼ４５°に規定されている歪センサ。
【請求項２】
可撓性を有する基板と、当該基板の表面に磁歪材料を用いて形成された磁性層と、当該磁性層に接続された一対の電極と、当該一対の電極間に電流を供給すると共に電流供給時における前記一対の電極間の電位差を測定して前記電流の電流値と前記電位差とに基づいて前記磁性層のインピーダンスを算出する測定部と、当該算出されたインピーダンスと基準インピーダンスとに基づいて前記基板に印加されている圧力を算出する演算部とを備え、
前記磁性層は、電流方向に対する磁化容易軸の角度が４５°またはほぼ４５°に規定されている圧力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪材料で形成された磁性層を有する歪センサ、およびその歪センサを備えた圧力測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の歪センサとして、特開２０００−３５６５０５号公報において開示された歪センサが知られている。この歪センサは、基板と、磁歪材料を用いて基板上に形成された磁性層（強磁性体層）とを備え、磁性層の逆磁歪効果を利用して、基板が受けている圧力を検出可能に構成されている。磁性層の逆磁歪効果とは、例えば圧縮されたり、引っ張られたりしたときの圧力によって磁性層の形状が変化したときに、磁性層に予め付与された磁化方向（磁化容易軸の方向）が変化する現象をいう。また、磁性層は、磁化方向の変化によって透磁率が変化し、この透磁率の変化によってインピーダンスが変化する特性も有している。
【０００３】
上記の歪センサでは、磁性層が持つ上記の効果および上記の特性を利用し、かつ磁性層をその磁化容易軸が電流方向と直交するように（または電流方向と平行となるように）に設定して、圧縮歪みまたは引っ張り歪みに対する磁性層のインピーダンスの変化を検出し、このインピーダンスの変化に基づいて圧力を検出している。
【特許文献１】特開２０００−３５６５０５号公報（第２−４頁、第２−３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記の歪センサには、以下の問題点がある。すなわち、この歪センサでは、磁性層をその磁化容易軸が電流方向と直交するように（または電流方向と平行となるように）に設定しているため、圧縮歪みを受けたときの磁化容易軸の回転方向および回転角度と、圧縮歪みと同じ量の引っ張り歪みを受けたときの磁化容易軸の回転方向および回転角度とは、電流方向と直交する方向（または電流方向と平行な方向）を基準として、回転方向が逆向きで、回転角度がほぼ同一となる。この場合、磁性層の透磁率は、圧縮歪みを受けたときも、引っ張り歪みを受けたときもほぼ同じ値になり、この結果、磁性層のインピーダンスもそれぞれの場合においてほぼ同じ値になる。したがって、この歪センサには、磁性層が圧縮する方向の圧力と、磁性層が引っ張られる方向の圧力とを区別して測定することができないという問題点が存在している。
【０００５】
本発明は、かかる問題点を解決すべくなされたものであり、磁性層が圧縮する方向および引っ張られる方向の圧力を区別して測定し得る歪センサおよび圧力測定装置を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成すべく請求項１記載の歪センサは、可撓性を有する基板と、当該基板の表面に磁歪材料を用いて形成された磁性層と、当該磁性層に接続された一対の電極とを備え、前記磁性層は、電流方向に対する磁化容易軸の角度が４５°またはほぼ４５°に規定されている。
【０００７】
また、請求項２記載の圧力測定装置は、可撓性を有する基板と、当該基板の表面に磁歪材料を用いて形成された磁性層と、当該磁性層に接続された一対の電極と、当該一対の電極間に電流を供給すると共に電流供給時における前記一対の電極間の電位差を測定して前記電流の電流値と前記電位差とに基づいて前記磁性層のインピーダンスを算出する測定部と、当該算出されたインピーダンスと基準インピーダンスとに基づいて前記基板に印加されている圧力を算出する演算部とを備え、前記磁性層は、電流方向に対する磁化容易軸の角度が４５°またはほぼ４５°に規定されている。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の歪センサおよび圧力測定装置によれば、磁性層における電流方向に対する磁化容易軸の角度を４５°またはほぼ４５°に規定したことにより、磁性層が圧縮する方向の圧力と、磁性層が引っ張られる方向の圧力とを区別しつつ、両方向の圧力の大きさを測定することができる。また、この歪センサおよび圧力測定装置によれば、両方向の圧力が小さい領域ではインピーダンスの変化率はほぼリニアに変化し、かつ変化の度合いも大きいため、小さい圧力を高い精度で測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係る歪センサおよび圧力測定装置の最良の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１０】
最初に、圧力測定装置１の構成について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１に示す圧力測定装置１は、歪み検出素子２、支持部３、測定部４、記憶部５、演算部６および出力部７を備え、歪み検出素子２に印加されている圧力を検出可能に構成されている。
【００１２】
歪み検出素子２は、本発明における歪センサであって、例えばガス管内に配設されてガスの流入圧力を検出可能に構成され、図１，２に示すように、基板１１、磁性層１２、および一対の電極１３ａ，１３ｂを備えている。この場合、基板１１は、一例として、可撓性を有する扁平な直方体に形成されている。具体的には、基板１１は、金属板やガラス板などで構成されている。なお、導電性のある金属板を用いるときには、表面に絶縁層が形成された金属板を用いる。
【００１３】
磁性層１２は、基板１１の表面に磁歪材料を用いて形成されている。また、磁性層１２は、一例として平面視長方形に形成されて、その長手方向が基板１１の長手方向と平行となるように形成されている。この場合、磁歪材料としては、磁歪効果を有する強磁性材料を用いるのが好ましい。また、磁歪材料は、負磁歪定数を有する磁歪材料でもよいし、正磁歪定数を有する磁歪材料でもよい。具体的には、負磁歪定数を有する磁歪材料としては、ＮｉＦｅ合金や、ＣｏＳｉＢ合金を用いることができ、正磁歪定数を有する磁歪材料としては、ＦｅＳｉＢ合金を用いることができる。本例では、一例として、負磁歪定数を有するＮｉＦｅ合金によって磁性層１２が形成されている。また、磁性層１２は、その厚みが０．１μｍ前後となるように形成されている。
【００１４】
また、磁性層１２は、メッキ法やスパッタリング法などの公知の作製方法によって形成されている。この場合、磁性層１２は、一様な磁場中で形成されることにより、図２，３に示すように、応力がゼロの状態において、基板１１と平行な平面内における長手方向（磁性層１２における電流方向）に対する磁化容易軸の角度θが所定の角度θ１（４５°±１５°以内（本発明におけるほぼ４５°）：一例として４５°）となるように、一軸性の磁気異方性が付与されている。
【００１５】
一対の電極１３ａ，１３ｂは、基板１１上における磁性層１２の長手方向の両側にそれぞれ形成されて、磁性層１２の対応する端部に電気的に接続されている。以上のように構成された歪み検出素子２は、図１に示すように、基板１１の一端側が支持部３に固定されている。これにより、歪み検出素子２は、自由端としての基板１１の他端側に圧力Ｆを受けたときに、その向きに応じて、基板１１の一端側を支点として、基板１１の表面側（Ａ方向）と裏面側（Ｂ方向）の両方に撓むことが可能となっている。 
【００１６】
測定部４は、一対の電線４ａ，４ｂを介して各電極１３ａ，１３ｂに接続されて、磁性層１２の長手方向についてのインピーダンス（各電極１３ａ，１３ｂ間のインピーダンス）Ｚを測定して演算部６に出力する。一例として、測定部４は、定電流供給回路、電圧測定回路およびインピーダンス算出回路（いずれも図示せず）を備えて構成されている。この場合、定電流供給回路は、一対の電線４ａ，４ｂを介して、各電極１３ａ，１３ｂ間、つまり磁性層１２に定電流（直流定電流または交流定電流）を供給する。電圧測定回路は、この定電流によって一対の電線４ａ，４ｂ間、つまり磁性層１２の長手方向の両端間に発生する電圧（両端間電圧）を測定する。インピーダンス算出回路は、定電流供給回路から供給される定電流の電流値と、電圧測定回路によって測定された電圧値とに基づいて、磁性層１２における長手方向の両端間のインピーダンスＺを算出して出力する。
【００１７】
記憶部５は、ＲＯＭおよびＲＡＭ（いずれも図示せず）を備えて構成されている。この場合、ＲＯＭには、演算部６のための動作プログラムが記憶されている。また、ＲＯＭには、基板１１の他端側に印加されている圧力Ｆがゼロときの磁性層１２のインピーダンスＺ（基準インピーダンスＺｏ）と、インピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏ（％）から圧力Ｆを算出するための変換データテーブルとが記憶されている。なお、ΔＺは、（Ｚ−Ｚｏ）を意味する。ＲＡＭは、演算部６により、ワークメモリとして使用される。
【００１８】
ここで、変換データテーブルについてその概要を説明する。まず、圧力ＦとインピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏとの間には、図４に示す関係が成り立つことが実験的および理論的に確認されている。つまり、負磁歪定数を有するＮｉＦｅ合金で磁性層１２を形成し、かつ圧力Ｆがゼロのときの磁性層１２に流れる電流の方向（電流方向）と磁化容易軸との成す角度θを角度θ１（＝４５°）に規定した歪み検出素子２において、図１に示すように、基板１１の他端側に圧力Ｆ（＋方向の圧力）を印加してＡ方向に基板１１を撓ませたときには、基板１１の表面（同図中の上面）に形成されている磁性層１２には圧縮応力が作用する。また、この圧縮応力が作用することにより、磁性層１２には圧縮歪みが生じて、その磁化容易軸が、図３に示すように、Ｃ方向に回転して電流方向（応力の作用する方向）と平行な方向に近づき（角度θが角度θ１から減少し）、インピーダンスＺが基準インピーダンスＺｏよりも大きくなることが確認されている。
【００１９】
一方、基板１１の他端側に逆方向（Ａ方向を基準として−方向の圧力）の圧力Ｆを印加してＢ方向に基板１１を撓ませたときには、磁性層１２には引っ張り応力が作用する。また、この引っ張り応力が作用することにより、磁性層１２には引っ張り歪みが生じて、その磁化容易軸が、図３に示すように、Ｄ方向に回転して電流方向と直交する方向に近づき（角度θが角度θ１から増加し）、インピーダンスＺが基準インピーダンスＺｏよりも小さくなることが確認されている。つまり、図４において実線で示すように、インピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏは、基板１１に＋方向の圧力Ｆが印加されたときには、圧力Ｆの大きさ（値）に応じて＋側に増加し、逆に、基板１１に−方向の圧力Ｆが印加されたときには、圧力Ｆの大きさに対応して−側に増加することが確認されている。また、図４に示すように、角度θ１が４５°に規定されているため、インピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏについては、圧力Ｆが＋側および−側のいずれにおいても小さい領域Ｗ１では、ほぼリニアに変化し、しかも変化の度合いが大きいが、圧力Ｆが＋側および−側のいずれにおいても大きい領域Ｗ２では、圧力Ｆが大きくなるに従って変化の度合いが徐々に小さくなることが確認されている。
【００２０】
以上のような関係が、圧力ＦとインピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏとの間に存在しており、変換データテーブルにはこの関係を示すデータが記憶されている。したがって、変換データテーブルを参照することにより、インピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏから圧力Ｆを算出可能となっている。
【００２１】
演算部６は、ＣＰＵを備えて構成されている。また、演算部６は、ＲＯＭに記憶されている動作プログラムに従って作動して、インピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏを算出する変化率算出処理、インピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏから圧力Ｆを算出する圧力算出処理、および算出した圧力Ｆを出力部７に出力させる出力処理を実行する。
【００２２】
出力部７は、一例として、ディスプレイ装置で構成されて、圧力Ｆを数値表示する。なお、出力部７は、ディスプレイ装置に代えて、他の出力装置、例えば、印刷装置やプロッタなどで構成することもできる。
【００２３】
次に、圧力測定装置１の動作について説明する。
【００２４】
この圧力測定装置１では、測定部４が、磁性層１２のインピーダンスＺを繰り返し測定して、演算部６に出力する。演算部６は、測定部４からインピーダンスＺを入力する都度、変化率算出処理、圧力算出処理および出力処理を実行する。
【００２５】
具体的には、変化率算出処理では、演算部６は、まず、記憶部５から基準インピーダンスＺｏを読み出し、次いで、インピーダンスＺから基準インピーダンスＺｏを減算してΔＺ（＝Ｚ−Ｚｏ）を算出する。続いて、演算部６は、このΔＺを基準インピーダンスＺｏで除算することにより、インピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏ（％）を算出する。次の圧力算出処理では、演算部６は、記憶部５に記憶されている変換データテーブルを参照することにより、算出したインピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏに対応する圧力Ｆを算出する。次いで、出力処理では、演算部６は、特定した圧力Ｆを出力部７に表示させる。
【００２６】
この場合、基板１１の他端側にＡ方向（図１参照）の圧力Ｆが印加されているときには、磁性層１２には圧縮応力が作用して、磁性層１２の磁化容易軸と電流方向との成す角度θが角度θ１（＝４５°）よりも小さくなり、磁性層１２のインピーダンスＺが基準インピーダンスＺｏよりも大きくなる。このため、演算部６は、符号が正となるインピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏを算出し、このインピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏに基づいて算出した圧力Ｆ（正の値）を出力部７に表示させる。
【００２７】
逆に、基板１１の他端側にＢ方向（図１参照）の圧力Ｆが印加されているときには、磁性層１２には引っ張り応力が作用して、磁性層１２の磁化容易軸と電流方向との成す角度θが角度θ１（＝４５°）よりも大きくなり、磁性層１２のインピーダンスＺが基準インピーダンスＺｏよりも小さくなる。このため、演算部６は、符号が負となるインピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏを算出し、このインピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏに基づいて算出した圧力Ｆ（負の値）を出力部７に表示させる。
【００２８】
このように、この圧力測定装置１および歪み検出素子２によれば、磁性層１２における電流方向に対する磁化容易軸の角度を４５°に規定したことにより、磁性層１２が圧縮する方向の圧力Ｆと、磁性層１２が引っ張られる方向の圧力Ｆとを、出力部７に表示される正・負の符号に基づいて区別しつつ、両方向の圧力Ｆの大きさ（値）を測定することができる。また、この圧力測定装置１によれば、図４に示すように、両方向の圧力Ｆが小さい領域Ｗ１ではインピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏはほぼリニアに変化し、かつ変化の度合いも大きいため、小さい圧力Ｆを高い精度で測定することができる。
【００２９】
なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、歪み検出素子２における基板１１の一端側を支持部３に固定した例について上記したが、基板１１の両端を２つの支持部３で固定し、圧力Ｆを中央部に受けて基板１１が撓む構成を採用することもできる。また、磁性層１２のインピーダンスＺを直接測定する構成を採用した例について説明したが、歪み検出素子２をブリッジ回路に組み込んでそのインピーダンスＺを測定する構成を採用することもできる。また、磁性層１２における電流方向に対する磁化容易軸の角度を４５°に規定した例について説明したが、これに限らず、ほぼ４５°（４５°±１５°の範囲内）に規定することができる。ただし、上記の効果をより奏するためには、４５°±１０°の範囲内に規定するのが好ましく、４５°±５°の範囲内に規定するのがより好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】圧力測定装置１の構成を示す構成図である。
【図２】歪み検出素子２の斜視図である。
【図３】磁性層１２の平面図である。
【図４】圧力ＦとインピーダンスＺの変化率ΔＺ／Ｚｏとの関係を示す関係図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  圧力測定装置
２  歪み検出素子
４  測定部
６  演算部
１１  基板
１２  磁性層
１３ａ，１３ｂ  電極
Ｆ  圧力
Ｚ  インピーダンス
Ｚｏ  基準インピーダンス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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