(57)【要約】【課題】  磁性薄膜を用い、小型，高感度で且つ、耐衝撃，温度特性に優れた力学センサを提供する。【解決手段】  外力を検知する力学センサであって、外力に応じて弾性変形可能な非磁性基板１０と、非磁性基板１０上に形成された、複数本の直線部分が平行に並び、折り返すように電気的に直列接続された、磁化容易軸方向が前記直線部分の長手方向に対し直交する方向に磁気異方性が付けられている磁性薄膜１２とを有し、磁性薄膜１２は直線部分の長手方向と磁化容易軸方向と前記外力の印加される方向とが互いに直交する関係となるように基板上に形成され、磁性薄膜の両端部から高周波電流を印加し、外力により両端部間に発生するインピーダンスの変化を電気信号に変換して出力を得られるようにした。【選択図】      図１
2005164324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力を検知する力学センサであって、前記外力に応じて弾性変形可能な非磁性基板と、該非磁性基板上に形成された、直線部分を有し、且つ磁化容易軸方向が前記直線部分の長手方向に対し直交する方向に磁気異方性が付けられている磁性薄膜とを有し、前記磁性薄膜は、前記直線部分の長手方向と磁化容易軸方向と前記外力の印加される方向とが互いに直交する関係となるように前記基板上に形成され、前記磁性薄膜の両端部から高周波電流を印加し、前記外力により前記両端部間に発生するインピーダンスの変化を電気信号に変換して出力を得られるようにしたことを特徴とする力学センサ。
【請求項２】
外力を検知する力学センサであって、前記外力に応じて弾性変形可能な非磁性基板と、該非磁性基板上に形成された、複数本の直線部分が平行に並び、折り返すように電気的に直列接続された、磁化容易軸方向が前記直線部分の長手方向に対し直交する方向に磁気異方性が付けられている磁性薄膜とを有し、前記磁性薄膜は、前記直線部分の長手方向と磁化容易軸方向と前記外力の印加される方向とが互いに直交する関係となるように前記基板上に形成され、前記磁性薄膜の両端部から高周波電流を印加し、前記外力により前記両端部間に発生するインピーダンスの変化を電気信号に変換して出力を得られるようにしたことを特徴とする力学センサ。
【請求項３】
前記磁性薄膜の両端部の電極が、前記非磁性基板の長手方向の一端に寄せて配置され、その電極近傍が支持基台に固定されて、前記非磁性基板が前記支持基台に対して片持ち構造をなしていること特徴とする請求項１又は２に記載の力学センサ。
【請求項４】
前記磁性薄膜の折り返し部が、導電部材にて隣接端間を結ばれていることを特徴とする請求項２又は３に記載の力学センサ。
【請求項５】
外力を検知する力学センサであって、前記外力に応じて弾性変形可能な細長い非磁性基板上に、複数本の直線部分が平行に並び、折り返すように電気的に直列接続された、磁化容易軸方向が前記直線部分の長手方向に対し直交する方向に磁気異方性が付けられている磁性薄膜を前記非磁性基板の長手方向に２箇所並んで有し、
それぞれの磁性薄膜の両端部の電極が、前記非磁性基板長手方向の一端に寄せられ、その電極近傍が支持基台に固定されて、前記非磁性基板が前記支持基台に対して片持ち構造をなし、
前記磁性薄膜の長手方向と磁化容易軸方向と前記外力の印加される方向とが互いに直交する関係になるように前記非磁性基板がたわみ、
それぞれ前記磁性薄膜の両端部から高周波電流を印加し、前記外力により前記両端部間に発生するインピーダンスの変化を２つの磁性薄膜の差動で検知し、電気信号に変換して出力を得られるようにしたことを特徴とする力学センサ。
【請求項６】
前記非磁性基板の支持基台に対する支点側と先端側で相対的に断面積が異なることを特徴とする請求項５に記載の力学センサ。
【請求項７】
前記非磁性基板の先端付近に、基板上面に設けた保護膜上、もしくは基板裏側に半田が載せられたランドを設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の力学センサ。
【請求項８】
取り付け基台に隣接する直交面に請求項１〜７のいずれか１項に記載の力学センサの端部を固定し、直交二軸の加速度変化から、回転を検知することを特徴とする回転検知センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動，衝撃，加速度，圧力，接触変位等の検知を行う力学センサ及び回転検知センサに係わり、特に磁性薄膜を用いた力学センサ及び回転検知センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭用ロボットの姿勢制御やＰＤＡ，ゲーム機の入力，セキュリティ用途で、加速度，振動，変位等を検知する力学センサの市場が拡大し、より小型，高感度のセンサが求められている。
例えば、加速度センサでは圧電型が主流になっているが、高感度，小型軽量で構造が簡単である。しかし、ＤＣ及び低周波の加速度が検知できない欠点を持っている。
また、最近ではマイクロマシン構造である半導体式の静電容量変化を見る加速度センサが登場し市場が拡大している。自動車のエアバッグ起動の高Ｇセンサとして普及が始まったが、±２Ｇに対応した高感度のものも製品化されてきている。長所は小型高感度で、ＤＣから対応できるが、温度特性が大きく補正が必要で、特に高感度にすると内部の衝突リスクから衝撃に弱いという欠点を持つ。また、コスト面では半導体プロセスのため相当な数量の見込めるアプリケーションで無いと安くならない。
【０００３】
なお、本発明に関連する技術を開示するものとしては、特許文献１に磁気抵抗効果をもつ２つの磁性薄膜に直流電圧を印加し、磁性薄膜の歪み量に応じた出力電圧を検出する歪み検出装置の開示がある。
【特許文献１】特開平０７−１７４６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の実用化されているセンサは長所短所が明確であり、それぞれその特長にあった使い方で実績を上げて来ているが、小型高感度でＤＣ検知ができ、且つ耐衝撃，温度特性に強いセンサがあれば、さらに市場拡大につながる。また、生産性が高く、低コストに対応できることも重要である。
【０００５】
本発明では、新しい検知方法として磁性薄膜を用いて、外力による基板のたわみ変化を検知するセンサであって、前記課題を克服するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明は、外力を検知する力学センサであって、前記外力に応じて弾性変形可能な非磁性基板と、該非磁性基板上に形成された、直線部分を有し、且つ磁化容易軸方向が前記直線部分の長手方向に対し直交する方向に磁気異方性が付けられている磁性薄膜とを有し、前記磁性薄膜は、前記直線部分の長手方向と磁化容易軸方向と前記外力の印加される方向とが互いに直交する関係となるように前記基板上に形成され、前記磁性薄膜の両端部から高周波電流を印加し、前記外力により前記両端部間に発生するインピーダンスの変化を電気信号に変換して出力を得られるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
また本発明は、外力を検知する力学センサであって、前記外力に応じて弾性変形可能な非磁性基板と、該非磁性基板上に形成された、複数本の直線部分が平行に並び、折り返すように電気的に直列接続された、磁化容易軸方向が前記直線部分の長手方向に対し直交する方向に磁気異方性が付けられている磁性薄膜とを有し、前記磁性薄膜は、前記直線部分の長手方向と磁化容易軸方向と前記外力の印加される方向とが互いに直交する関係となるように前記基板上に形成され、前記磁性薄膜の両端部から高周波電流を印加し、前記外力により前記両端部間に発生するインピーダンスの変化を電気信号に変換して出力を得られるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、外力を検知する力学センサであって、前記外力に応じて弾性変形可能な細長い非磁性基板上に、複数本の直線部分が平行に並び、折り返すように電気的に直列接続された、磁化容易軸方向が前記直線部分の長手方向に対し直交する方向に磁気異方性が付けられている磁性薄膜を前記非磁性基板の長手方向に２箇所並んで有し、
それぞれの磁性薄膜の両端部の電極が、前記非磁性基板長手方向の一端に寄せられ、その電極近傍が支持基台に固定されて、前記非磁性基板が前記支持基台に対して片持ち構造をなし、
前記磁性薄膜の長手方向と磁化容易軸方向と前記外力の印加される方向とが互いに直交する関係になるように前記非磁性基板がたわみ、
それぞれ前記磁性薄膜の両端部から高周波電流を印加し、前記外力により前記両端部間に発生するインピーダンスの変化を２つの磁性薄膜の差動で検知し、電気信号に変換して出力を得られるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の回転検知センサは上記本発明の力学センサを用いたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、磁性薄膜の長手方向に掛かる歪により、磁気異方性を回転させ、表皮効果の変化による力学センサを考案した。ＤＣから安定的に動作させるための差動構成も提案し、小型で高感度のものが供給可能になった。
【００１１】
さらに、２軸もコンパクトに構成でき、加速度等の大きさ評価だけでなく、重力加速度を対象にした回転の検知も可能となり、力学センサの用途拡大に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
なお、各実施形態の図において共通ないし対応する部分には共通の符号を付してある。第２実施形態以下で第一実施形態と共通の部分の説明は省略する。
［第一実施形態］
図１は、本発明の力学センサの第一の実施形態の基本構成を示す図である。
【００１４】
図１において、１０は非磁性の薄板基板であり、ジルコニアやサファイヤ等の曲げ強度が強く、ばね性に富んでいる材料が好ましい。
【００１５】
非磁性基板１０上に高透磁率の磁性薄膜１２を複数本の直線部分が所定間隔で平行に並び、順次折り返し、電気的に直列接続するようつづら折れのパターンとして形成されている。
【００１６】
磁性薄膜は、パーマロイ，Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ系アモルファス膜やＦｅ−Ｃ系，Ｆｅ−Ｎ系の微結晶膜等の高透磁率磁性膜を真空成膜技術により成膜する。膜厚は、後述するＭＨｚ帯の高周波電流で表皮効果を発生させるためには１〜５μｍ程度が好ましい。図１ではつづら折れのパターンを、磁性膜のみで構成しているが、折り返し部を無くし、代わりに銅やアルミ，金等の導電性非磁性金属薄膜で隣接端とを結び、電気的に直列にする方法でも良い（後述する図９の接続部５２は導電性非磁性金属薄膜で磁性薄膜を接続した場合を示す）。磁性膜の磁化容易軸は、磁場中熱処理によりパターン長手方向と直交する面内方向につけておく。この磁化容易軸を付けることが重要となる。
【００１７】
図２に本発明の力学センサの動作原理を説明する。磁性薄膜１２の端部の電極１４ａ，１４ｂから例えば２０ＭＨｚの高周波電流（実用的には、１〜５０ＭＨｚ）をかけておく。高透磁率の磁性薄膜であるために、パターン長手方向の磁界（Ｈ）に対して、図２（ａ）のとおりインピーダンス（Ｚ）が変化し、Ｖ字の磁界検知特性を持つ。なお、磁性薄膜１２の両端部の電極は必ずしも基板１０の一端に配置しなくともよく、必要に応じて基板の一端に電極１４ａ、他端に電極１４ｂを配置することも可能である。
【００１８】
図３（ａ）の様に磁界がゼロ（Ｈ＝０）では、磁性薄膜の長手方向に沿って高周波電流Ｉを流すと磁性膜に周回磁界Ｈｉが発生し、磁化容易軸方向に沿った磁化ＪがこのＨｉと平行となり、磁壁移動も磁化回転もできない状態となって透磁率がほぼゼロとなることで、表皮効果が発生せずにインピーダンスがＤＣ抵抗とほぼ等しくなる。
【００１９】
そこへ、図３（ｂ）の様に磁界（Ｈｅｘ）が磁性薄膜の長手方向に掛かると、磁化Ｊが回転し周回電流Ｈｉと角度を持ち、磁化回転が発生することで急激に透磁率が発生し、表皮効果によりインピーダンスが増加する。その結果、外部磁界に対して図２（ａ）の様にＶ字特性を形成する。
【００２０】
このＶ字特性は、図１の矢印で示す磁性膜の長手方向と磁化容易軸方向にそれぞれ直交するたわみのプラス方向（＋方向）に変位させると、磁性膜がのびてＨ＝０のポイントがＡ→Ｂ→Ｃのように変化する。横軸をたわみ変位量とすると図２（ｂ）のような特性となる。
【００２１】
このＶ字の底がせり上がる現象は、磁性膜の長手方向に力が加わり、その長手方向にひずみによる磁気異方性が発生することで起こる。その様子を図４に示す。
【００２２】
長手方向に力が加わると、一軸の異方性がパターン幅方向につけられていたものが、回転し、図３の（ｂ）と同様に磁化が高周波電流による磁界に対して角度を持つことで磁化が回転できるようになる。その結果、透磁率の発生から表皮効果が起こり、インピーダンスが大きくなる。つまり、磁気センサの動作で外部磁界により磁化が回転することに対して、力学センサでは磁性膜に歪を掛けて磁化を回転させることで、表皮効果に関わるインピーダンスの変化に結びつける。図４（ａ）は図２のＢの状態であり、（ｂ）は図２のＣの状態に対応し、磁化が長手方向を完全に向いたところでピーク値となる。磁性薄膜の磁歪定数との兼ね合いもあるが、その伸び縮みに対して極めて敏感であり、高感度の力学センサが構成できる。
【００２３】
図２（ａ）のように外部磁界に対して出力も変化してしまうので、磁界ゼロ付近で動作させるのが基本であり、不図示ではあるが磁界の大きい環境では素子全体をパーマロイで囲うか、本素子上にさらに保護膜を載せ、その上に高透磁率磁性薄膜を付けることで磁気シールド対策を付与することが望ましい。
【００２４】
図１では磁性薄膜の両端の電極を非磁性基板１０の一方の端によせて、その電極の下部を支持基台１６に接着剤等で固定し、片持ち構造をなしている。その固定と反対側の端部がたわみで変位し、磁性薄膜の伸び縮みによりその磁気特性が変わる仕組みとなる。磁性薄膜のパターン長手方向と磁化容易軸及び外力印加方向はそれぞれ直交の関係となっている。
【００２５】
片持ち構造が基本ではあるが、基板のたわみが起こる構成であれば、基板の両端を支持基台に固定する両持ち構造でもよい。
また、本実施形態では、磁性薄膜のパターン長手方向と磁化容易軸及び外力印加方向はそれぞれ直交の関係となっているが、たわみに対するインピーダンス変化の効果が得られる範囲で、磁性薄膜のパターン長手方向と磁化容易軸及び外力印加方向との間で一定角度ずれを生じてもよい（後述する各実施形態でも同様である。）。
また、磁性薄膜は本実施形態では、抵抗値を稼ぐために複数本の直線部分をつづら折れのパターンとして形成しているが、たわみに対するインピーダンス変化ができれば一本のライン状パターンとしてもよく、さらに必ずしも直線状パターンを複数設ける必要はなく、直線部分を含んでいればパターンを蛇行させたり、一部が湾曲したりしていてもよい（後述する各実施形態でも同様である。）。
［第二実施形態］
図５に本発明の力学センサの第二の実施形態を示す図である。本実施形態は、実際使用する上での好ましい素子形態である。本実施形態はＤＣ加速度の検知安定性を増した構成である。
【００２６】
図５において、２０は図１と同様に非磁性の薄板基板であり、細長い矩形状をなしている。非磁性基板２０の一端は支持基台２８に接着固定され、片持ち構造となっている。
【００２７】
磁性薄膜は支点側２２ａと先端側２２ｂの２箇所に形成されている。それぞれは、第一の実施形態と同様に抵抗値を稼ぐために、複数本の直線部分が所定間隔で平行に並び、順次折り返すし、電気的に直列接続するようつづら折れのパターンとして形成されている。磁化容易軸は、磁場中熱処理等で磁性薄膜の長手方向に対して直交する面内に付けておく。
磁性薄膜２２ａ，２２ｂからは、銅，アルミ，金等導電金属薄膜２６で支点側にまとめて置かれる電極２４ａ，２４ｂ，２４ｃに引き出される。
【００２８】
磁性薄膜２２ａ，２２ｂは基板長手方向に直列配置されているが、支点に近い側の２２ａが先端側２２ｂに比べて素子内部の歪が大きくなることより、支点側の２２ａを動作用，先端側の２２ｂをキャンセル用として差動動作させる。
【００２９】
差動動作させるのは、磁性薄膜２２ａ，２２ｂ自体が外部磁界を検知してしまうので、同一方向に配列すれば、外部磁界を差動でキャンセルできるためである。
【００３０】
また、磁性膜透磁率の温度特性や磁性薄膜と基板の熱膨張係数差による温度特性をキャンセルすることでゼロ点が安定し、周波数的にＤＣからのたわみ変化を精度良く検知することが可能である。
【００３１】
図６にセンサ駆動回路を示す。３０は発振回路でインバータＩＣとＣ，Ｒで高周波（ＭＨｚ帯）のパルス発振をさせる。次に、前述の素子をブリッジ回路３２に組み込み、パルス発振の電流を印加する。磁性薄膜２２ａ，２２ｂの両端電圧を検波回路３４につなぎ、振幅検波し、次の差動増幅回路３６でセンサ出力を得る。
【００３２】
図７に実際のセンサの測定データを示す。基板には安定化ジルコニア基板の３．６×０．３６ｍｍｔ＝０．１を用い、磁性薄膜にはＦｅ−Ｔａ−Ｃ系の薄膜を２μｍ成膜した。磁性薄膜のパターンは、２４μｍ幅で長さ１．４ｍｍを６本でつづら折れ構成とした。
【００３３】
図７（ａ）は先端のたわみ量（δ）に対する支点側の素子の出力特性を示したもので、検波回路後の特性である。図２（ｂ）で示したのと同様に、磁性膜が縮む方向（たわみ−方向）では出力変化が小さいが、伸びる方向（たわみ＋方向）では急激に出力が変化する。先端の曲げ量δに対して、最大１０ｍＶ／μｍの感度が得られた。
【００３４】
図７（ｂ）では、差動動作としての振動試験機に掛けての加速度検知データ（加速度−センサ出力振幅特性）を示す。加速度は±１２Ｇまで印加したが、直線性は良好であった。素子の感度は、先端の荷重量で容易に調整でき、要求される仕様に幅広く対応できる。
【００３５】
また、耐衝撃性も評価したが３０００Ｇの瞬間印加でも素子部の破壊はされなかった。
［第三実施形態］
図８に実装形態を含めた構造を説明する。
【００３６】
図８において、４０は力学センサの支持基台と不図示であるが裏面に回路基板に接続する電極をもつベース部が一体化されたベースである。その他、回路接続としては、ベース４０に電極の代わりにピンを立てても良い。ピンは支持台の裏面へ貫通させ、回路基板に半田付けすることで接続される。
【００３７】
力学センサの素子構成は図５と同じ構成ではあるが、支点側の素子の感度を上げるために背面に溝４２を入れている。曲げの剛性は厚さの三乗に比例するため、部分的に薄くすることも高感度化に寄与する。別の方法としては、図９の先端部５０のように先端部側の素子の下部を厚くするか、別部材を接合する等で先端荷重を増やすことで感度を上げることも可能である。さらに、図１０に示すように、保護膜５４を挟んで先端の磁性薄膜上に半田を載せたランド５６を置くか又は不図示ではあるが先端部の基板裏側に半田を載せたランドを置くことも生産性上有効である。このような荷重調整が容易にできることも、半導体式と比べて自由度が高い。
【００３８】
図８に戻るが、磁性薄膜は外部磁界に対して感度を有し、２つの磁性薄膜で差動によりキャンセルするが、数ガウス以上の大きな磁界がかかる環境では、パーマロイ等の磁性体でシールドケース４４を構成することも有効である。
【００３９】
磁性薄膜の端部の電極からは、ベース部の電極４６へ金やアルミ等のワイヤーボンディング４８で結ぶ。
【００４０】
また、シールドケース４４内部のスペースに図６で説明した信号処理回路も組み込むことは容易であり、ＩＣ一体化も供給可能である。
【００４１】
この構造では、半導体式に比べて素子部のカスタマイズの自由度があり、多品種少量でコストメリットが出せる。
［第四実施形態］
本発明の構成を２軸構成とし、回転検知に応用した場合について説明する。
【００４２】
図１１のように、取り付け基台６０で隣接する直交面に図１に示した力学センサを組み付ければ、２軸の加速度検知がコンパクトに構成でき、加速度の回転変化を捉えての回転検知が可能になる。
【００４３】
Ｘ方向のたわみを検知する素子６２とＹ方向のたわみを検知する素子６４が一体化されることで、ＸＹ平面における加速度の回転変化を捉えることができる。回路的には、図６の回路で２２ａ，２２ｂのところに、この力学センサ６２，６４を接続すれば良い。
【００４４】
本発明の応用としては、水平の回転軸の回転系で、重力加速度をこのＸＹ平面に沿うようにセンサを配置すれば、重力に対してのセンサ側の回転角や回転数を検知することが可能になる。ＤＣ検知が安定していることで、静止の位相角も検知が可能となる。Ｚ軸を鉛直方向に沿わせることで、Ｘ，Ｙ方向の加速度ゼロ値をキャリブレートできる特徴も備えている。
【００４５】
またその他応用では、セキュリティ関係で、初期状態からの僅かな出力変化を捉えての、盗難アラーム発生も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は振動，衝撃，加速度，圧力，接触変位等の検知を行う力学センサや回転検知センサに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の力学センサの第一の実施形態の基本構成を示す図である。
【図２】本発明の力学センサの動作原理を説明するための特性図である。
【図３】本発明の力学センサの動作原理を説明するための説明図である。
【図４】本発明の力学センサの動作原理を説明するための説明図である。
【図５】本発明の力学センサの第二の実施形態を示す図である。
【図６】上記第二の実施形態の力学センサを駆動する回路を示す図である。
【図７】上記第二の実施形態の力学センサの特性図である。
【図８】本発明の力学センサの第三の実施形態の構成を示す図である。
【図９】上記第三の実施形態の変形例を示す図である。
【図１０】上記第三の実施形態の変形例を示す図である。
【図１１】本発明の回転検知センサの実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  非磁性の薄板基板
１２，２２ａ，２２ｂ  磁性薄膜
１４ａ，１４ｂ  電極
２０  非磁性基板
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ  電極
２６  導電金属薄膜
２８  支持基台
３０  発振回路
３２  ブリッジ回路
３４  検波回路
３６  増幅回路
４０  ベース
４２  溝
４４  シールドケース
４６  電極
４８  ワイヤーボンディング
５０  先端部
５２  接続部
５４  保護膜
５６  ランド
【図１】
2005164324.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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【図２】
2005164324.tif 000011
【図６】
2005164324.tif 000012
【図７】
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