(57)【要約】【課題】アモルファス磁歪ワイヤの応力インピーダンス効果を応用して小型軽量で、高感度、高安定の傾斜・加速度センサ及びヨーレートセンサを提供する。【解決手段】細長形状の弾性体１の片側端部に慣性質量４を固定した可動端部３を有し、この細長形状の弾性体１の下端端２を傾斜や加速度が加わる物体Ａに固定し、この細長形状の弾性体１の側面に長さ方向に沿って複数個の応力検出素子５を固定したヘッドを備え、前記応力検出素子５の出力電圧の平均値で傾斜を、前記応力検出素子５ａ〜５ｄの出力電圧の変化分で加速度をそれぞれ検出する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長形状の弾性体の片側端部に慣性質量を固定した可動端部を有し、該細長形状の弾性体の他端を傾斜や加速度が加わる物体に固定し、該細長形状の弾性体の側面に長さ方向に沿って複数個の応力検出素子を固定したヘッドを備え、前記応力検出素子の出力電圧の平均値で傾斜を、前記応力検出素子の出力電圧の変化分で加速度をそれぞれ検出することを特徴とする傾斜・加速度センサ。
【請求項２】
請求項１記載の傾斜・加速度センサにおいて、前記複数個の応力検出素子は、３個又は２対（４個）の応力検出素子であることを特徴とする傾斜・加速度センサ。
【請求項３】
請求項２記載の傾斜・加速度センサにおいて、前記応力検出素子として、アモルファス磁歪材料を用いることを特徴とする傾斜・加速度センサ。
【請求項４】
請求項３記載の傾斜・加速度センサにおいて、前記アモルファス磁歪材料として負磁歪アモルファスワイヤを用いることを特徴とする傾斜・加速度センサ。
【請求項５】
請求項４記載の傾斜・加速度センサにおいて、前記負磁歪アモルファスワイヤは、ＣＭＯＳマルチバイブレータからのパルス電流による応力インピーダンス効果を用いることを特徴とする傾斜・加速度センサ。
【請求項６】
細長形状の弾性体の片側端部に慣性質量を固定した可動端部を有し、該細長形状の弾性体の他端をヨーイングする物体に固定し、該細長形状の弾性体の側面に、該細長形状の弾性体の長さ方向に対して角度をもって応力検出素子を固定したヘッドを備え、前記応力検出素子によりヨーレートを検出することを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項７】
請求項６記載のヨーレートセンサにおいて、前記応力検出素子として、アモルファス磁歪材料を用いることを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項８】
請求項７記載のヨーレートセンサにおいて、前記アモルファス磁歪材料として負磁歪アモルファスワイヤを用いることを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項９】
請求項８の記載のヨーレートセンサにおいて、前記負磁歪アモルファスワイヤは、ＣＭＯＳマルチバイブレータからのパルス電流による応力インピーダンス効果を用いることを特徴とするヨーレートセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、列車、航空機、船舶などの移動体や、工業用ロボット、工作機械、建設機械、生産機械、娯楽機械などの計測制御システム、医療用機器、福祉機器、ＯＡ機器、携帯電話などの情報機器、環境機器などの多くの技術分野における傾斜・加速度センサ及びヨーレートセンサに関する。特に近年の携帯電話に代表されるモバイル情報機器や高度道路交通システム（ＩＴＳ）などの先端技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
傾斜センサ及び加速度センサは、種々のセンサとともに、上記の多くの計測制御システムを高度化し知能化するためのキーデバイスである。その一般的構成は、慣性質量を一端に固定した弾性体に応力（または歪み）を感知する素子を固定し、その弾性体の他端を傾斜や加速度が加わる物体に固定するものである。
【０００３】
本願発明者は、先に応力インピーダンス素子を発明しており（特許文献１参照）、アモルファス負磁歪ワイヤの応力インピーダンス効果を用いて、ゲージ率が３０００〜４０００の超高感度応力（歪み）素子をＣＭＯＳ回路によって構成している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−０７８６８４号（第３−４頁  図１）
【非特許文献１】
沈  麗平、北  英二、成瀬  祐介、毛利  佳年雄、内山  剛「アモルファス磁歪ワイヤ片持ちバリとＣＭＯＳＩＣによる高感度ひずみゲージ」日本応用磁気学会誌  Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．４−２、ｐｐ．６７７−６８０（１９９８）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の応力（歪み）感知素子には、抵抗線歪みゲージや半導体歪みゲージが使用されているが、それらのゲージ率（単位歪み当たりの電磁気量変化率）はそれぞれ約２及び約１４０であり、１ガル（Ｇａｌ）以下の微小な加速度を検出する場合は感度が低い。また、容量形や圧電形の加速度センサなども実用化されているが、いずれも感度が低く、また温度安定性が低いなどの問題がある。
【０００６】
一方、傾斜センサも、傾斜に対して流体が移動する方式のものなどの試みがあるが、技術的には加速度センサに比して実現が困難であり、小型・軽量で高感度、高応答性などを兼備する実用性の高い傾斜センサはまだ開発されていない。
【０００７】
また、自動車や航空機等の移動体において高精度の姿勢制御に必要なヨーレートセンサ（回転角速度センサ）は、光ファイバージャイロなどの高価な装置を用いたものが実用化されているが、自動車でこれが用いられているのは高級車に限定され、一般的に普及していない。
【０００８】
本発明は、上記状況に鑑みて、アモルファス磁歪ワイヤの応力インピーダンス効果を応用して小型・軽量で高感度、高安定の傾斜・加速度センサ及びヨーレートセンサを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕傾斜・加速度センサにおいて、細長形状の弾性体の片側端部に慣性質量を固定した可動端部を有し、この細長形状の弾性体の他端を傾斜や加速度が加わる物体に固定し、この細長形状の弾性体の側面に長さ方向に沿って複数個の応力（歪み）検出素子を固定したヘッドを備え、前記応力検出素子の出力電圧の平均値で傾斜を、前記応力検出素子の出力電圧の変化分で加速度をそれぞれ検出することを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の傾斜・加速度センサにおいて、前記複数個の応力検出素子は、３個又は２対（４個）の応力検出素子であることを特徴とする。
【００１１】
〔３〕上記〔２〕記載の傾斜・加速度センサにおいて、前記応力検出素子として、アモルファス磁歪材料を用いることを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔３〕記載の傾斜・加速度センサにおいて、前記アモルファス磁歪材料として負磁歪アモルファスワイヤを用いることを特徴とする。
【００１３】
〔５〕上記〔４〕記載の傾斜・加速度センサにおいて、前記負磁歪アモルファスワイヤは、ＣＭＯＳマルチバイブレータからのパルス電流による応力インピーダンス効果を用いることを特徴とする。
【００１４】
〔６〕ヨーレートセンサにおいて、細長形状の弾性体の片側端部に慣性質量を固定した可動端部を有し、この細長形状の弾性体の他端をヨーイングする物体に固定し、この細長形状の弾性体の側面に、この細長形状の弾性体の長さ方向に対して角度をもって応力（歪み）検出素子を固定したヘッドを備え、前記応力検出素子によりヨーレート（ｙａｗ  ｒａｔｅ：偏揺れ率：回転角速度）を検出することを特徴とする。
【００１５】
〔７〕上記〔６〕記載のヨーレートセンサにおいて、前記応力検出素子として、アモルファス磁歪材料を用いることを特徴とする。
【００１６】
〔８〕上記〔７〕記載のヨーレートセンサにおいて、前記アモルファス磁歪材料として負磁歪アモルファスワイヤを用いることを特徴とする。
【００１７】
〔９〕上記〔８〕の記載のヨーレートセンサにおいて、ＣＭＯＳマルチバイブレータによるパルス電流による応力インピーダンス効果を用いることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施例を示す傾斜・加速度センサヘッドの概略斜視図であり、図１（ａ）はその全体斜視図、図１（ｂ）は傾斜・加速度センサヘッドの部分断面図である。
【００２０】
これらの図に示すように、セラミックスやプラスチックなどの細長円柱形状の電気絶縁性弾性体１を、傾斜したり、加速度が加わる物体（土台）Ａに対して垂直に設置し、その細長円柱形状の電気絶縁性弾性体１の下端部２を物体（土台）Ａに固定し、可動端部３に慣性質量４を固定する。
【００２１】
より具体的には、電気絶縁性弾性体１の側面に複数の溝６が形成され、その溝６内に直径２０μｍ以下の負磁歪アモルファスワイヤ５をそれぞれ１個ずつ３個又は２対（４個）設置して強力な接着剤７で固定し、超音波ボンディングにより電極８を形成し、応力検出素子を作製する。
【００２２】
詳細は後述するが、この傾斜・加速度センサヘッドでは、物体（土台）Ａの傾斜θ、および物体（土台）Ａの加速度（２次元，ａｃ分）であるｄ２  ｘ／ｄｔ２  を検出することができる。
【００２３】
図２は本発明の実施例を示すヨーレートセンサヘッドの概略斜視図であり、図２（ａ）はその全体斜視図、図２（ｂ）はヨーレートセンサヘッドの部分断面図である。
【００２４】
これらの図に示すように、セラミックスやプラスチックなどの細長円柱形状の電気絶縁性弾性体１１をヨーイングする物体（土台）Ｂに対して垂直に設置し、その電気絶縁性弾性体１１の下端部１２を物体（土台）Ｂに固定し、可動端部１３に慣性質量１４を固定する。
【００２５】
より具体的には、電気絶縁性弾性体１１の側面に溝１６を２本形成し、その溝１６内に直径２０μｍ以下の負磁歪アモルファスワイヤ１５をそれぞれ（１５Ａ，１５Ｂ）設置して強力な接着剤１７で固定し、超音波ボンディングにより電極１８を形成し、応力検出素子を作製する。
【００２６】
詳細は後述するが、このヨーレートセンサヘッドでは、物体（土台）Ｂのヨーレート（ｙａｗ  ｒａｔｅ：偏揺れ率：回転角速度）であるｄφ／ｄｔ（ｒａｄ／ｓ）を検出することができる。また、トーションバートルクセンサとしても使用することができる。
【００２７】
図３はＣＭＯＳＩＣによるＳＩ特性を示す図であり、図３（ａ）は、ＳＩエレメントを用いた微分バッファ型応力センサ回路、図３（ｂ）は、そのＳＩエレメントである２０μｍ径の張力アニールを施した負磁歪アモルファスワイヤの、張力および圧縮力に対するインピーダンスの変化率（応力インピーダンス効果）を示している。
【００２８】
図３（ｂ）から分かるように、張力に対しては、インピーダンスは減少する一方で、圧縮力に対しては、インピーダンスは増加し最大値を示す（非特許文献１参照）。
【００２９】
図３（ａ）において、Ｑ１  ，Ｑ２  ，Ｑ３  は、ＣＭＯＳインバータ（７４ＡＣ０４）、Ｃはコンデンサ（１００ｐＦ）、Ｒは抵抗２０ｋΩ、ＣＤ  はコンデンサ（１００ｐＦ）、ＲＤ  は抵抗（２００Ω）、ＲＬ  は抵抗（１０Ω）、ＳＢＤはダイオード（ＩＳＳ９７）、ＣＨ  はコンデンサ（２０００ｐＦ）、ＲＨ  は抵抗（５１ｋΩ）、Ｖｄｄは電源電圧である。６個のＣＭＯＳインバータを内蔵するＩＣチップを用いて、２個のインバータＱ１  とＱ２  と抵抗Ｒ、コンデンサＣによりマルチバイブレータ発振回路を構成する。その出力電圧を抵抗ＲＤ  、コンデンサＣＤ  からなる微分回路によりパルス電圧に変換し、インバータＱ３  によって整形・増幅してアモルファスワイヤ（ＳＩエレメント）に通電してＳＩ効果を発生させる。
【００３０】
図４は、図１に示す傾斜・加速度センサヘッドの水平断面図であり、図４（ａ）は２対（４本）のアモルファスワイヤ設置の場合、図４（ｂ）は３本のアモルファスワイヤ設置の場合を示す。
【００３１】
図４（ａ）の場合、ｂ→ａへの傾斜の場合ａに圧縮力、ｂに張力が加わり、ｃ，ｄには応力が加わらないので、ａ，ｂ，ｃ，ｄのインピーダンスをそれぞれＺａ，Ｚｂ，Ｚｃ，Ｚｄ、垂直からの微小傾斜角ψに対するインピーダンスの増加分をΔＺ≒ｋψとおくと、Ｚａ−Ｚｂ＝２ΔＺ＞０、Ｚｃ−Ｚｄ＝０となる。
【００３２】
傾斜方向の水平面内角度をａ−ｂ線から時計回りにθとおき、Ｚａ，Ｚｂ，Ｚｃ，Ｚｄの電圧をそれぞれＶａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄとおくと、Ｖａ−Ｖｂ＝２ｋψｃｏｓθ、Ｖｃ−Ｖｄ＝２ｋψｓｉｎθであるので、θ，ψは
【００３３】
【数１】
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【００３４】
で検出される。
【００３５】
このように、任意の方向への傾斜は、２対のインピーダンスの大きさの差によって検出される。また、水平方向の加速度は、これらのインピーダンスの大きさの差の交流分によって検出される。３次元的加速度センサは，さらに１個のヘッドを追加して土台に対して水平に固定して使用すればよい。
【００３６】
図４（ａ）の代わりに、図４（ｂ）のセンサヘッド（３本のアモルファスワイヤ設置）を用いても、θ，ψは検出できるが、計算式はやや複雑である。
【００３７】
図５は、本発明にかかるインピーダンスの差を検出するＣＭＯＳマルチバイブレータ形センサ回路である。
【００３８】
この図において、Ｃはコンデンサ（１００ｐＦ）、Ｒは抵抗（２０ｋΩ）、ＣＤ  はコンデンサ（１００ｐＦ）、ＲＤ  は抵抗（２００Ω）、ＶＲは可変抵抗（３ｋΩ）、ＣＨ  はコンデンサ（２０００ｐＦ）、ＲＨ  は抵抗（５１ｋΩ）、Ｖｄｄは電源電圧（３Ｖ）である。
【００３９】
この図では、２本のアモルファスワイヤ（ＳＩエレメント）にＣＭＯＳマルチバイブレータ回路からのパルス電流を同時に通電する。そこで、ＳＩエレメントの基円柱に応力が作用すると、２本のアモルファスワイヤ（ＳＩエレメント）には互いに逆の応力が印加されるので、２本のアモルファスワイヤの誘起パルス電圧の増減も互いに逆になる。そこで、２本のアモルファスワイヤ（ＳＩエレメント）の誘起パルス電圧のピークホールド電圧を差動増幅器に入力すると、このセンサの出力電圧は図３（ａ）に示したセンサの２倍の感度になる。
【００４０】
以下、実施例について説明する。
【００４１】
（実施例１）
図６は本発明の実施例１を示す傾斜・加速度センサヘッドの構成図である。
【００４２】
この図に示すように、長さ４ｍｍ、直径２ｍｍの細長円柱形状プラスチック２１の側面４個所の長さ方向に、４本の２０μｍ径、長さ２ｍｍのＣｏＳｉＢ負磁歪アモルファスワイヤ（λ＝−３×１０−６）２２を固定し、細長円柱形状プラスチック２１の一端を水平面２３に固定し、他端に５ｇの円柱形状慣性質量（プラスチック円柱形状質量）２４を固定し、傾斜・加速度センサヘッド２０とする。
【００４３】
アモルファスワイヤ２２は軽い張力を印加した状態で、細長円柱形状プラスチック２１表面に設けられた幅４０μｍ、深さ１０μｍの溝２５内に接着剤で固定し、両端部にニッケルメッキを施した上で超音波ボンディング法により電極２６付けを施した。
【００４４】
４本のアモルファスワイヤ２２のうち、対称位置にある２本ずつのアモルファスワイヤ対（▲１▼−▲２▼、▲３▼−▲４▼）に対して、図５に示すＣＭＯＳマルチバイブレータ形差動方式センサ回路を構成した。
【００４５】
図７は、図６に示す傾斜・加速度センサヘッドを任意の方向へ傾斜した場合の方向と角度に対するセンサ出力電圧の測定結果である。センサヘッドの角度変化は、センサヘッドに固定されたプラスチック円柱形状体の傾斜角で調整した。
【００４６】
図７（ａ）は、傾斜角度を３０°で一定にして、傾斜方位をセンサヘッドの▲１▼−▲２▼方向を基準として３６０°変化させた場合のセンサ出力電圧Ｅ▲１▼−▲２▼、Ｅ▲３▼−▲４▼の変化を示している。センサ出力電圧Ｅ▲１▼−▲２▼はｃｏｓ、Ｅ▲３▼−▲４▼はｓｉｎのパターンで変化している。
【００４７】
図７（ｂ）は、傾斜方位を▲１▼−▲２▼方向で固定として、傾斜角を０°から９０°まで変化させたときのＥ▲１▼−▲２▼の変化である。傾斜角検出の分解能は約２°である。
（実施例２）
図８は、本発明の実施例２を示す、図６に示した傾斜・加速度センサヘッドおよび図５に示した応力検出回路により、加速度を検出した結果である。センサヘッドを垂直型加振機（アカシ社製）の加振盤上に水平に固定して、加速度の大きさ及び周波数を変化させて測定した。
【００４８】
図８（ａ）は、振動周波数ｆ＝２Ｈｚで一定として振動振幅を増加していった場合の加速度検出特性図である。この図から分かるように、加速度は１３Ｇａｌ程度まで線形的に検出されている。ここで加速度の分解能は約０．２Ｇａｌである。
【００４９】
図８（ｂ）は、振動振幅を１０μｍに固定し、振動周波数ｆを増加させていった場合の加速度検出特性図である。約４０Ｈｚで共振特性が現れており、この結果２５Ｈｚ以下の振動を安定に検出できる。
【００５０】
この結果、高感度の加速度検出が可能であり、携帯端末の落下加速度検知による情報破壊防止システムなどへの応用が考えられる。
（実施例３）
図９は、本発明の実施例３を示すヨーレートセンサ（回転角速度センサ）ヘッドの構成図である。
【００５１】
この図に示すように、長さ４ｍｍ長、直径２ｍｍの細長円柱形状プラスチック３１の側面に長さ方向に対して３０°の角度で２０μｍ径、長さ３ｍｍの２本のＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ３２を接着固定し、細長円柱形状プラスチック円柱体３１の円柱の上端に５ｇの慣性質量３３を固定し、回転軸を固定して、ヨーレートセンサ（回転角速度センサ）ヘッド３０とする。図１０はそのヨーレートセンサのＣＭＯＳ−ＳＩセンサ回路図である。
【００５２】
図１０において、Ｑ１  ，Ｑ２  ，Ｑ３  ，Ｑ４  ，Ｑ５  はＣＭＯＳインバータ、Ｒ，Ｒｄ  ，ＲＨ  は抵抗、Ｃ，Ｃｄ  ，ＣＨ  はコンデンサ、ＳＢＤはダイオード、ＡＭＰは差動増幅器、Ｖｄｄは電源電圧を示している。なお、この図における基本的動作は、図５と同様である。
【００５３】
このヨーレートセンサヘッド３０の下端および差動型ＣＭＯＳ−ＳＩセンサ回路４１をプラスチック基板に固定し、その基板をモータ軸に固定してヨーレートを検出した結果を図１１に示す。
【００５４】
ヨーレートとして約６ｄｅｇ／ｓまでほぼ線形的に検出され、分解能は約０．０２ｄｅｇ／ｓの高感度特性が得られた。
【００５５】
これは従来の振動ジャイロ型ヨーレートセンサより数倍高感度である。
【００５６】
なお、図１又は図２のセンサヘッドで慣性質量を用いずに、４方向の傾斜のみでなくねじりも可能なジョイスティックやコンピュータ画面クリック入力スティックとして用いることもできる。
【００５７】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、例えば、十字形薄膜の中央部に慣性質量を形成し、十字形の４つの脚部にそれぞれアモルファス磁歪ワイヤを接着固定した薄形の傾斜・加速センサやヨーレートセンサなども含めて、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、
（Ａ）細長形状の弾性体の片側端部に慣性質量を固定した可動端部を有し、側面に長さ方向に沿って３個または２対（４個）の応力（歪み）検出素子を固定したヘッドを備え、その応力検出素子の出力電圧の平均値で傾斜を、その応力検出素子の出力電圧の変化分で加速度を検出する傾斜・加速度センサを実現した。
【００５９】
（Ｂ）細長形状の弾性体の片側端部に慣性質量を固定した可動端部を有し、その細長形状弾性体の側面に長さ方向から角度をもって応力（歪み）検出素子を固定したヘッドを有するヨーレートセンサを実現した。
【００６０】
（Ｃ）この応力（歪）検出素子として、強靭弾性体のアモルファス磁歪材料を用いた。
【００６１】
（Ｄ）アモルファス磁歪材料として高感度、高耐食性の負磁歪アモルファスワイヤを用いた。
【００６２】
（Ｅ）さらに、負磁歪アモルファスワイヤの応力インピーダンス効果により、超高感度の傾斜・加速度センサの原理とした。
【００６３】
（Ｆ）最後に、集積回路化が可能になるよう、ＣＭＯＳマルチバイブレータによるパルス電流による応力インピーダンス効果を利用する傾斜・加速度センサを構成した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す傾斜・加速度センサヘッドの概略斜視図である。
【図２】本発明の実施例を示すヨーレートセンサヘッドの概略斜視図である。
【図３】本発明にかかるＣＭＯＳＩＣによるＳＩ特性を示す図である。
【図４】図１に示す傾斜・加速度センサヘッドの水平断面図である。
【図５】本発明にかかるインピーダンスの差を検出するＣＭＯＳマルチバイブレータ形センサ回路である。
【図６】本発明の実施例１を示す傾斜・加速度センサヘッドの構成図である。
【図７】本発明の実施例１を示す図６に示す傾斜・加速度センサヘッドを任意の方向へ傾斜した場合の方向と角度に対するセンサ出力電圧の測定結果を示す図である。
【図８】本発明の実施例２を示す図６に示した傾斜・加速度ヘッドおよび図５に示した応力検出回路により、加速度を検出した結果を示す図である。
【図９】本発明の実施例３を示すヨーレートセンサ（回転角速度センサ）ヘッドの構成図である。
【図１０】図９に示したヨーレートセンサのＣＭＯＳ−ＳＩセンサ回路図である。
【図１１】図９に示すセンサヘッドの下端および差動型ＣＭＯＳ−ＳＩセンサ回路をプラスチック基板に垂直に固定し、その基板をモータ軸に固定してヨーレートを検出した結果を示す図である。
【符号の説明】
１，１１    細長円柱形状の電気絶縁性弾性体
２，１２    下端部
Ａ    傾斜や加速度が加わる物体（土台）
３，１３    可動端部
４，１４，３３    慣性質量
５，１５，１５Ａ，１５Ｂ    負磁歪アモルファスワイヤ
６，１６，２５    溝
７，１７    接着剤
８，１８，２６    電極
Ｂ    ヨーイングする物体（土台）
２０    傾斜・加速度センサヘッド
２１，３１    細長円柱形状プラスチック
２２，３２    ＣｏＳｉＢ負磁歪アモルファスワイヤ
２３    水平面
２４    円柱形状慣性質量（プラスチック円柱形状体）
３０    ヨーレートセンサヘッド
４１    差動型ＣＭＯＳ−ＳＩセンサ回路
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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