(57)【要約】【課題】コンパクト化、低コスト化、部品点数及び組立工数の削減等を実現しつつ、同時に、加速度変化を高精度、高感度で検出することができる簡易構造の加速度センサを提供する。【解決手段】加速度センサ１０は、非磁性部材からなるハウジング１２と、このハウジング１２内において片持ち状に支持され、且つ、超磁歪部材１８及びこれにバイアス磁界を印加するバイアス磁石２０をバイモルフ型に張り合わせてなる梁部材１４と、この梁部材１４の超磁歪部材１８を挟んでバイアス磁石２０の反対側に配置され、このバイアス磁石２０の漏れ磁界の変化を検出するためのホール素子１６と、を有している。そして、梁部材１４の変位方向Ｚ１の加速度変化を、超磁歪部材１８の変形に基づく漏れ磁界の変化として検出するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性部材からなるハウジングと、該ハウジング内において片持ち状に支持され、且つ、磁歪部材及びこれにバイアス磁界を印加するためのバイアス磁石をバイモルフ型に張り合わせてなる梁部材と、該梁部材の前記磁歪部材を挟んで前記バイアス磁石の反対側に配置され、該バイアス磁石の漏れ磁界の変化を検出するための検出手段と、を有してなり、前記梁部材の変位方向の加速度変化を、前記磁歪部材の変形に基づく前記漏れ磁界の変化として検出することを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
非磁性部材からなるハウジングと、該ハウジング内において片持ち状に支持され、且つ、磁歪部材及び他部材をバイモルフ型に張り合わせてなる梁部材と、該梁部材の前記他部材側に配置され、該他部材を介して前記磁歪部材にバイアス磁界を印加するためのバイアス磁石と、前記梁部材の前記磁歪部材を挟んで前記バイアス磁石の反対側に配置され、該バイアス磁石の漏れ磁界の変化を検出するための検出手段と、を有してなり、前記梁部材の変位方向の加速度変化を、前記磁歪部材の変形に基づく前記漏れ磁界の変化として検出することを特徴とする加速度センサ。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記梁部材を略平板形状に構成したことを特徴とする加速度センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記梁部材の自由端に、該梁部材の変位量を増大するための重りを取り付けたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記検出手段はピックアップコイルを含み、前記漏れ磁界の変化を前記ピックアップコイルのインダクタンス変化として検出するようにされたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記漏れ磁界の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記検出手段はホール素子を含み、前記漏れ磁界の変化を前記ホール素子の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪部材を用いて加速度変化を検出するようにした加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子にかかる応力ひずみをピエゾ電圧として検出する圧電式加速度センサや、ばね等で支持した物体の加速度による変位を静電容量の変化として検出する静電容量式加速度センサなどが広く知られている。
【０００３】
例えば、図１１に示される従来公知の圧電式加速度センサ１は、圧電材料をドーナツ形状に形成した圧電素子２と、この圧電素子２に取り付けられた重り部材３と、を備えている（特許文献１参照）。この圧電式加速度センサ１では、圧電素子２が重り部材３から受ける応力によって生じる電圧の変化に基づいて加速度変化を検出するようになっている。
【０００４】
一方、図１２に示される従来公知の静電容量式加速度センサ５は、加速度変化に応じて変位する可動電極６及びこの可動電極６を挟むように配置された複数の固定電極７Ａ〜７Ｄからなるセンサエレメント８を備えている（特許文献２参照）。この静電容量式加速度センサ５では、可動電極６と固定電極７との間に生じる静電容量の変化に基づいて加速度変化を検出するようになっている。なお、センサエレメント８は、単結晶シリコン基板のような半導体基板を利用したマイクロマシニング技術によって製造される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−９９８５９号公報
【特許文献２】特開平１１−２５８２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来公知の圧電式加速度センサ１は、形状や構造が複雑である上に、加速度変化の検出感度を上げるには、圧電素子２や重り部材３を精度良く組み付ける必要があり、コンパクト化や低コスト化には限界があった。
【０００７】
又、従来公知の静電容量式加速度センサ５においては、半導体基板を利用した微細加工が必要なため、組立工数の削減が困難で、コストが高くなりやすいといった問題点があった。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、コンパクト化、低コスト化、部品点数及び組立工数の削減等を実現しつつ、同時に、加速度変化を高精度、高感度で検出することができる簡易構造の加速度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】
本発明の発明者は、研究の結果、加速度変化を高精度、高感度で検出することができる簡易構造の加速度センサを見出した。
【００１０】
即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。
【００１１】
（１）非磁性部材からなるハウジングと、該ハウジング内において片持ち状に支持され、且つ、磁歪部材及びこれにバイアス磁界を印加するためのバイアス磁石をバイモルフ型に張り合わせてなる梁部材と、該梁部材の前記磁歪部材を挟んで前記バイアス磁石の反対側に配置され、該バイアス磁石の漏れ磁界の変化を検出するための検出手段と、を有してなり、前記梁部材の変位方向の加速度変化を、前記磁歪部材の変形に基づく前記漏れ磁界の変化として検出することを特徴とする加速度センサ。
【００１２】
（２）非磁性部材からなるハウジングと、該ハウジング内において片持ち状に支持され、且つ、磁歪部材及び他部材をバイモルフ型に張り合わせてなる梁部材と、該梁部材の前記他部材側に配置され、該他部材を介して前記磁歪部材にバイアス磁界を印加するためのバイアス磁石と、前記梁部材の前記磁歪部材を挟んで前記バイアス磁石の反対側に配置され、該バイアス磁石の漏れ磁界の変化を検出するための検出手段と、を有してなり、前記梁部材の変位方向の加速度変化を、前記磁歪部材の変形に基づく前記漏れ磁界の変化として検出することを特徴とする加速度センサ。
【００１３】
（３）前記梁部材を略平板形状に構成したことを特徴とする前記（１）又は（２）記載の加速度センサ。
【００１４】
（４）前記梁部材の自由端に、該梁部材の変位量を増大するための重りを取り付けたことを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の加速度センサ。
【００１５】
（５）前記検出手段はピックアップコイルを含み、前記漏れ磁界の変化を前記ピックアップコイルのインダクタンス変化として検出するようにされたことを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の加速度センサ。
【００１６】
（６）前記検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記漏れ磁界の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の加速度センサ。
【００１７】
（７）前記検出手段はホール素子を含み、前記漏れ磁界の変化を前記ホール素子の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の加速度センサ。
【００１８】
（８）前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の加速度センサ。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る簡易構造の加速度センサは、コンパクト化、低コスト化、部品点数及び組立工数の削減等を実現しつつ、同時に、加速度変化を高精度、高感度で検出することができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１及び図２に示されるように、本発明の実施形態に係る加速度センサ１０は、非磁性部材のセラミックからなる略箱状のハウジング１２を備えており、このハウジング１２内において略平板形状の梁部材１４が片持ち状に支持されている。又、ハウジング１２の上部外側壁面には、ホール素子（検出手段）１６が配置されている。
【００２２】
略平板状の梁部材１４は、超磁歪部材１８及びこれにバイアス磁界を印加するためのバイアス磁石２０をバイモルフ型に張り合わせて構成されている。又、この梁部材１４の一端側はハウジング１２の内側壁面に固定された基端１４Ａとされる一方で、他端側は自由端１４Ｂとされ、梁部材１４は基端１４Ａを支点として図中のＺ１方向に変位可能な構造となっている。
【００２３】
この梁部材１４の超磁歪部材１８は、超磁歪素子を材料として用いている。ここで、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいう。図３に示されるように、この（超）磁歪素子は、外部から応力Ｆを受けて変形すると大きな透磁率μ（又は残留磁化量）の変化を生じる特性を有している。即ち、（超）磁歪素子が引張り力を受けて伸長すると透磁率μが上がり、（超）磁歪素子が圧縮力を受けて縮小すると透磁率μが下がる。
【００２４】
ホール素子１６は、梁部材１４の超磁歪部材１８を挟んでバイアス磁石２０の反対側に配置されており、超磁歪部材１８の透磁率又は残留磁化量の変化によって生じるバイアス磁石２０の漏れ磁界の変化を、起電力の変化として検出する。
【００２５】
次に、加速度センサ１０の作用について説明する。
【００２６】
図２に示されるように、バイアス磁石２０によって印加されるバイアス磁界の磁束Ｍは、その一部が超磁歪部材１８を通過しホール素子１６に到達する。この結果、図４に示されるように、ホール素子１６には磁束密度Ｈ０の漏れ磁界が印加され、この磁束密度Ｈ０に応じた基準電圧Ｖ０がホール素子１６において検知される。
【００２７】
この状態で、梁部材１４の変位方向Ｚ１に加速度が加えられると、慣性力によって梁部材１４が変形し、超磁歪部材１８の変位量が変化する。そして、この超磁歪部材１８の変位に伴って透磁率（又は残留磁化量）が変化する結果、ホール素子１６を通過する漏れ磁界の磁束密度Ｈが変化し、ホール素子１６の検知電圧Ｖが変化する。従って、超磁歪部材１８の変形によって生じる漏れ磁界の磁束密度Ｈの変化を、ホール素子１６の検知電圧Ｖの変化として検出することで、梁部材１４の変位方向Ｚ１の加速度変化を検出することができる。
【００２８】
より具体的には、図５に示されるように、図中のＺ２方向に加速度が加えられると、梁部材１４がＺ２方向と逆の方向に湾曲し、超磁歪部材１８が伸長する。そして、超磁歪部材１８の透磁率が上がり、バイアス磁石２０の漏れ磁界が増大する。そのため、ホール素子１６を通過する磁束Ｍの磁束密度Ｈが増加し（Ｈ＝Ｈ１＞Ｈ０）、ホール素子１６の検知電圧Ｖが基準電圧Ｖ０よりも大きくなる（Ｖ＝Ｖ１＞Ｖ０）。
【００２９】
一方、図６に示されるように、図中のＺ３方向に加速度が加えられると、梁部材１４がＺ３方向と逆の方向に湾曲し、超磁歪部材１８が縮小する。そして、超磁歪部材１８の透磁率が下がり、バイアス磁石２０の漏れ磁界が減少する。そのため、ホール素子１６を通過する磁束Ｍの磁束密度Ｈが減少し（Ｈ＝Ｈ２＜Ｈ０）、ホール素子１６の検知電圧Ｖが基準電圧Ｖ０よりも小さくなる（Ｖ＝Ｖ２＜Ｖ０）。
【００３０】
本発明の実施形態の例に係る加速度センサ１０によれば、非磁性部材からなるハウジング１２と、このハウジング１２内において片持ち状に支持され、且つ、超磁歪部材１８及びこれにバイアス磁界を印加するためのバイアス磁石２０をバイモルフ型に張り合わせてなる梁部材１４と、この梁部材１４の超磁歪部材１８を挟んでバイアス磁石２０の反対側に配置され、このバイアス磁石２０の漏れ磁界の変化を検出するためのホール素子１６（検出手段）と、を有してなり、梁部材１４の変位方向Ｚ１の加速度変化を、超磁歪部材１８の変形に基づく漏れ磁界の変化として検出することができるため、微少な加速度変化を高精度、高感度で検出することができる。しかも、構造が極めて簡易なため、コンパクト化、低コスト化、部品点数及び組立工数の削減等を容易に実現することができる。
【００３１】
特に、超磁歪部材１８及びバイアス磁石２０をバイモルフ型に張り合わせて梁部材１４を構成したため、超磁歪部材１８に印加するバイアス磁界を増大することができ、加速度変化の検出感度がより一層高められている。又、梁部材１４を略平板形状に構成しているため、加速度変化による梁部材１４の変位量を増大させることができ、この点においても加速度変化の検出感度が高められている。
【００３２】
なお、本発明に係る加速度センサは、上記実施形態に係る加速度センサ１０における構造や形状等に限定されるものではなく、例えば、ハウジング１２の材料はセラミックに限定されるものではなく、アルミ等の他の非磁性部材を用いてもよい。
【００３３】
又、上記実施形態においては、加速度センサ１０の検出感度を高める目的で、梁部材１４を超磁歪部材１８及びバイアス磁石２０によって構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図７に示されるように、超磁歪部材１８と非磁性部材（他部材）２２をバイモルフ型に張り合わせて梁部材２４を構成すると共に、バイアス磁石２６を梁部材１４の非磁性部材２２側に固定配置してもよい。
【００３４】
更に、検出感度をそれ程高める必要がない場合には、超磁歪部材１８の代わりに磁歪素子からなる磁歪部材を適用してもよい。
【００３５】
又、上記実施形態においては、梁部材１４を略平板形状に構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、梁部材１４を略棒状体に構成してもよい。なお、加速度センサの検出感度をより一層高めるためには、梁部材を薄膜状に構成するのが好ましい。
【００３６】
更に、上記実施形態においては、バイアス磁石２０の漏れ磁界の変化を検出するための検出手段としてホール素子１６を適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３７】
従って、例えば、図８に示されるように、検出手段としてＭＲ、ＧＭＲ、ＴＭＲ等の磁気抵抗効果素子２８を適用し、漏れ磁界の変化を、磁気抵抗効果素子２８の起電力変化として検出してもよく、又、図９に示されるように、検出手段としてピックアップコイル３０を適用し、漏れ磁界の変化をピックアップコイル３０のインダクタンス変化として検出するようにしてもよい。
【００３８】
なお、図１０に示されるように、梁部材１４の自由端１４Ｂに、梁部材１４の変位量を増大するための重り３２を取り付ければ、加速度変化による超磁歪部材１８の変位量、即ち、超磁歪部材１８の透磁率又は残留磁化量の変化量を増大させることができ、加速度センサの検出感度をより一層高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の加速度センサは、様々な分野に適用することができるが、特に、コンパクト化が要求される携帯電話等に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に係る加速度センサを示す概略斜視図
【図２】図１におけるII−II線に沿った概略断面図
【図３】磁歪素子が受ける応力Ｆと透磁率μの関係を示すグラフ
【図４】ホール素子を通過する磁束の磁束密度Ｈとホール素子の検知電圧Ｖの関係を示すグラフ
【図５】図１における加速度センサに上方向の加速度が加えられた状態を模式的に示す概略断面図
【図６】図１における加速度センサに下方向の加速度が加えられた状態を模式的に示す概略断面図
【図７】本発明の他の実施形態に係る加速度センサを示す概略斜視図
【図８】図１におけるホール素子に代えて磁気抵抗効果素子を適用した例を示す概略断面図
【図９】図１におけるホール素子に代えてピックアップコイルを適用した例を示す概略断面図
【図１０】図１における梁部材の自由端に重りを取り付けた例を示す概略断面図
【図１１】従来の圧電式加速度センサを示す概略側断面図
【図１２】従来の静電容量式加速度センサを示す概略構成図
【符号の説明】
【００４１】
μ…透磁率
Ｆ…応力
Ｍ…磁束
Ｈ、Ｈ０、Ｈ１、Ｈ２…磁束密度
Ｖ、Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２…検知電圧
１…圧電式加速度センサ
２…圧電素子
３…重り部材
５…静電容量式加速度センサ
６…可動電極
７Ａ〜７Ｄ…固定電極
８…センサエレメント
１０…加速度センサ
１２…ハウジング
１４、２４…梁部材
１４Ａ…基端
１４Ｂ…自由端
１６…ホール素子
１８…超磁歪部材
２０、２６…バイアス磁石
２２…非磁性部材
２８…磁気抵抗効果素子
３０…ピックアップコイル
３２…重り
【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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【図１２】
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