(57)【要約】【課題】センサ素子に接触させて変形させる用途に対しても感度低下や破壊のおそれのない、高感度な力学センサを実現する。【解決手段】磁性薄膜１２ａ、１２ｂを用いて歪によるインピーダンスの変化から外力を検知する力学センサにおいて、矢印Ｒで示す外力の印加方向を非磁性体基板１１及び磁性薄膜１２ａ、１２ｂの長手方向とする。そして、一対の対向面の磁性薄膜１２ａ、１２ｂからの信号を加算することで、撓みによる信号のオフセットを相殺させる。また、撓みを防ぐガイド部材１４を磁気シールドと兼用することで、外部磁界の外乱をほとんど受けない高感度な力学センサを実現することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力を検出する力学センサにおいて、
前記外力を長手方向に印加される非磁性体基板と、
前記非磁性体基板の表面に、前記長手方向に細長く形成した磁性薄膜と、
前記磁性薄膜に高周波電流を流して、前記非磁性体基板に印加される前記外力が前記磁性薄膜に引き起こす歪みによるインピーダンスの変化に基づいて出力信号を生成するセンサ駆動回路と、を有することを特徴とする力学センサ。
【請求項２】
前記非磁性体基板の一対の対向面のそれぞれに、前記長手方向に細長く形成した一対の磁性薄膜を有し、
前記一対の磁性薄膜のうちの一方に流す高周波電流に対するインピーダンスの変化に基づく第１の信号と、他方の磁性薄膜に流す高周波電流に対するインピーダンスの変化に基づく第２の信号とを用いた演算により、前記出力信号を生成することを特徴とする請求項１記載の力学センサ。
【請求項３】
前記第１の信号と前記第２の信号とを用いた演算が加算である事を特徴とする請求項２記載の力学センサ。
【請求項４】
前記非磁性体基板の一対の対向面のそれぞれに、前記長手方向に細長く形成した一対の磁性薄膜を有し、それぞれの磁性薄膜を電気的に直列に接続し、前記磁性薄膜に流す高周波電流に対するインピーダンスの変化の出力信号を生成することを特徴とする請求項１記載の力学センサ。
【請求項５】
前記非磁性体基板を前記長手方向にガイドするガイド部材を有することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の力学センサ。
【請求項６】
前記ガイド部材は前記磁性薄膜の磁気シールドの機能を有することを特徴とする請求項５記載の力学センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性薄膜のインピーダンス変化を利用した力学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。
【０００３】
例えば、ロボットや小型機械で、荷重を検知したり、押圧力やトルクの制御において数ｇｆ〜数十ｇｆの荷重に対する精度の良いセンサが求められている。
【０００４】
従来の力学センサとして、特許文献１に感度の高いセンサが提案されている。このセンサは、加速度を検出する場合などに発生する微小な力を検知できる。
【０００５】
図７は、従来のセンサの構成を示す。このセンサは、一端を基台６０に固定された非磁性体基板６１を有し、非磁性体基板６１は、ジルコニアやサファイヤ等の曲げ強度が強い材料からなる。
【０００６】
非磁性体基板６１上には高透磁率の磁性薄膜６２が、複数本の直線部分を所定間隔で平行に並べ、順次折り返し、電気的に直列に接続されたつづら折れのパターンとして形成されている。
【０００７】
磁性薄膜６２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の磁性膜が真空成膜技術により成膜され、その磁化容易軸は、磁場中で熱処理することによりパターン長手方向と直交する面内方向についている。
【０００８】
図８に動作原理を説明する。図７の磁性薄膜６２の端部の電極６３から例えば２０ＭＨｚの高周波電流をかけておく。高透磁率の磁性膜であるために、パターン長手方向に外部磁界Ｈｅｘを印加すると、図８の（ａ）に示すように、高周波電流に対するインピーダンス（Ｚ）が変化する。このインピーダンスの変化を電圧の変化に対応させる回路を使用してＶ字形の磁界検知特性を得る。
【０００９】
図９に示すように、磁性薄膜の長手方向に沿って高周波電流Ｉを流すと磁性薄膜に周回磁界Ｈｉが発生する。図９の（ａ）に示すように外部からの磁界がゼロ（Ｈｅｘ＝０）では、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。したがって、表皮効果が発生せずに高周波電流に対するインピーダンスがＤＣ抵抗とほぼ等しくなる。
【００１０】
そこへ、図９の（ｂ）に示すように外部磁界Ｈｅｘが磁性薄膜の長手方向に掛かると、磁化Ｊが回転し周回磁界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８の（ａ）に示すようにＶ字特性を形成する。
【００１１】
このＶ字特性は、磁性薄膜の長手方向と磁化容易軸方向にそれぞれ直交する撓みのプラス方向（＋方向）に外力を掛けて非磁性体基板を変形させると、磁性薄膜の伸張歪が増加して外部磁界Ｈｅｘ＝０のときのインピーダンスがＡ点→Ｂ点→Ｃ点のように変化する。横軸を撓み方向に掛ける外力とすると、図８の（ｂ）に示すような特性となる。
【００１２】
このＶ字の底がせり上がる現象は、磁性薄膜が長手方向に引き伸ばされ、その長手方向の伸張歪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１０に示す。
【００１３】
長手方向に伸張歪が発生すると、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９の（ｂ）と同様に高周波電流によって発生する周回磁界に対して磁化が角度を持つことで、磁化が回転できるようになる。その結果、透磁率が発生して表皮効果が起こり、インピーダンスが大きくなる。つまり、磁気センサの動作においては外部磁界により磁化が回転して透磁率が発生することに対応して、磁性薄膜に発生する伸張歪によって周回磁界に対して磁化に角度を持たせて、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１０の（ａ）は外力で磁性薄膜に伸張歪が少し発生した状態であり、このとき外部磁界が加えられていなければ図８の（ａ）及び（ｂ）のＢ点のインピーダンスとなる。図１０の（ｂ）は図８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される。
【００１４】
しかし、この形態の力学センサに直接触れて力を掛けることは、敏感であるがために検知範囲を超えてしまいやすいことや、許容範囲を超える変形のために破損が起こりやすいという未解決の課題がある。
【００１５】
【特許文献１】特開２００５−１６４３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献１に開示された従来の力学センサは加速度を受けることで自重により発生する変形（撓み）により加速度を検出するのに適した構造であり、このような非接触の使い方には適している。しかし、接触させて変位（変形）させる用途に対しては押圧部材や変位を抑制させるストッパー部材の衝撃でバウンドが起こりセンサが破壊される可能性があるという構造的な弱さがあった。さらに、感度が高い反面、変位に対するセンサの検知幅が狭いため、大きく撓ませて検知幅を超えてしまうと顕著なヒステリシスが発生してしまう。そのためゼロ点がばらついてしまい静的な精度を求める時に誤差が大きいなどの未解決の課題がある。
【００１７】
図１１に図７の力学センサの出力特性を示す。非磁性体基板６１を支持する基台６０に固定されている反対側の端部を±８μｍ変位させて撓ませた場合の出力特性であり、出力が大きく変化し特性曲線がヒステリシスを持っていることがわかる。
【００１８】
また、磁性薄膜を用いているため、外部磁界による外乱を受けて出力特性が変動しやすく、磁気シールドの構造にも工夫が必要となっている。
【００１９】
本発明は、磁性薄膜を用いて外力を検知する力学センサにおいて、外力を検知させる場合に必要な衝撃に強い構造を有し、しかもゼロ点の検知精度が高く、磁気シールドの構造も簡単である力学センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の力学センサは、外力を検出する力学センサにおいて、前記外力を長手方向に印加される非磁性体基板と、前記非磁性体基板の表面に、前記長手方向に細長く形成した磁性薄膜と、前記磁性薄膜に高周波電流を流して、前記非磁性体基板に印加される前記外力が前記磁性薄膜に引き起こす歪みによるインピーダンスの変化に基づいて出力信号を生成するセンサ駆動回路と、を有することを特徴とする。
【００２１】
また、前記非磁性体基板の一対の対向面のそれぞれに、前記長手方向に細長く形成した一対の磁性薄膜を有し、前記一対の磁性薄膜のうちの一方に流す高周波電流に対するインピーダンスの変化に基づく第１の信号と、他方の磁性薄膜に流す高周波電流に対するインピーダンスの変化に基づく第２の信号とを用いた演算により、前記出力信号を生成することを特徴とする構成としてもよい。
【００２２】
前記第１の信号と第２の信号とを用いた演算を加算とすることを特徴とする構成としてもよい。
【００２３】
また、前記一対の磁性薄膜を直列に接続することで和の出力信号を生成することを特徴とする構成としてもよい。
【００２４】
また、前記非磁性体基板を前記長手方向にガイドするガイド部材を有することを特徴としてもよい。
【００２５】
前記ガイド部材は前記磁性薄膜の磁気シールドの機能を有することを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
外力を印加する方向をセンサの長手方向とすることにより、センサに対して横方向の力が掛かることを防止し、センサの撓みによる破壊を回避する。
【００２７】
さらに、ガイド部材を配置してセンサの撓みを抑え、非磁性体基板の一対の対向面の出力を加算させることで撓みに起因する出力のオフセットを相殺することができる。また、ガイド部材を磁気シールドと兼用することで、磁気的外乱の影響を極力小さくした高感度な力学センサを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
図１は、第１の実施形態による力学センサの基本構成を示す図である。このセンサは、矢印Ｒで示すように、一軸方向に印加される圧縮力や押圧力等の外力の印加方向（Ｘ方向）に長尺である非磁性体基板１を有する。非磁性体基板１は、ジルコニアやサファイヤ等の曲げ強度が強く、バネ性に富んでいる材料で細長く形成された直方体の基板である。非磁性体基板１の表面に、非磁性体基板１の長手方向（外力の印加方向）に細長く形成された磁性薄膜２は、アモルファスやパーマロイ、微結晶材等の高透磁率薄膜である。そして、直線を複数回平行に折り返した細長いつづら折れ状、又は平行に配列した各磁性薄膜の端部を導電性非磁性金属薄膜で電気的に接続したパターンに形成されている。
【００３０】
磁性薄膜２の膜厚は、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。また、磁性薄膜２には、外部磁界に対するインピーダンスの変化をＶ字型にする場合は幅方向に、外部磁界に対するインピーダンスの変化を逆Ｖ字型にする場合は非磁性体基板１の長手方向に磁化容易軸を形成させるよう磁場中で熱処理をしておく。本実施形態では、非磁性体基板１の幅方向に近い方向に磁化容易軸を形成させており、非磁性体基板１の圧縮方向にも十分な検出感度を持たせるために、非磁性体基板１の長手方向に直交する方向に対しても、磁化容易軸の方向は所定の角度を持たせている。磁性薄膜２の終端部分には、高周波電流を流すセンサ駆動回路に接続するための電極３が形成される。このように、磁性薄膜２及び電極３を備えた非磁性体基板１をセンサ素子とし、力（外力）を印加する方向（印加方向）をセンサの長手方向とすることで、外力による撓みを低減する。
【００３１】
また、磁性薄膜２が成膜された非磁性基板１に、撓み等の長手方向以外の変形が起こらないようにガイドし、動きを規制するためのガイド部材４を設ける。ガイド部材４は、磁気シールドの機能を持たせるためにパーマロイやフェライト等の高透磁率磁性材料で形成するのが好ましい。非磁性体基板１は、非磁性体基板１の長手方向以外に形状が変化しないように接着剤やビス等でこのガイド部材４に部分的に固定されている。ガイド部材４は、複数個に分かれた部材を組み立ててもよい。外力を印加する方向であるＸ方向の片側端部は動かないよう接着剤やビス等で図示しないセンサ保持部（基台）に固定され、反対側の端部よりＸ方向の力（外力）をセンサ素子に印加することによってセンサ素子を伸縮させ、磁性薄膜２に伸び縮みの変化を与える。
【００３２】
外力を検出するセンサ素子の動作原理は以下の通りである。図７に示した従来の力学センサと同様に、図１のセンサ素子も図８の（ａ）に実線で示すように外部磁界Ｈｅｘに対してＶ字のインピーダンス変化特性を持つ。このときインピーダンスの変化を電圧の変化に対応させる回路を使用することも同様である。この特性は非磁性体基板１の長手方向に略直交する方向に磁性薄膜２の磁化容易軸を形成した場合の特性である。磁性薄膜２は外力によって発生する歪みによって外部磁界に対するインピーダンス変化特性が図８の（ａ）の実線から破線のように変化するため、外部磁界Ｈｅｘ＝０のときは図８の（ｂ）のような外力検知特性となる。
【００３３】
実際には前述したように、非磁性体基板１の長手方向に直交する方向に対して、磁性薄膜２の磁化容易軸の方向は所定の角度を持たせてあるため、図８の（ｃ）のように外部磁界Ｈｅｘ＝０であるときの外力検知の原点がＢ点の位置にある。すなわち図８の（ａ）のＢ点を通る外部磁界に対するインピーダンス変化特性となっている。このＶ字特性は、図１の矢印Ｒで示すように磁性薄膜２の長手方向に圧縮力（外力）を掛けるとセンサ素子が圧縮され、磁性薄膜２に圧縮歪が発生し、図８の（ａ）のＡ点を通る曲線に移動する。こうしてＨｅｘ＝０であるときのインピーダンスがＢ点→Ａ点のように変化する。図８の（ｃ）のＡ点の状態にするには非磁性体基板１に相当な圧縮力を掛ける必要があるので、実用上はＢ点付近のインピーダンス変化を外力の検知に用いる。
【００３４】
また、磁性薄膜に発生する歪に対するインピーダンス変化の効果が得られる範囲で、磁性薄膜の長手方向に直交する方向と磁化容易軸の方向との間にある所定の角度を変更してもよい。これは後述する第２の実施形態でも同様である。この角度を９０°に近づくように大きくしていくと、外部磁界に対して逆Ｖ字型のインピーダンス変化特性を持つセンサ素子になるが、このような構成に変更してもよい。
【００３５】
磁性薄膜は、直流抵抗値を大きくする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、磁性薄膜に発生する歪に対するインピーダンスの変化が十分大きければ一本のライン状パターンとしてもよい。さらに必ずしも直線状パターンである必要はなく、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。これらは第２の実施形態でも同様である。
【００３６】
図２は、第２の実施形態による力学センサの基本構成を示す図である。本実施形態は、実際の使用において、より好ましい構成のセンサである。
【００３７】
図２の力学センサは、非磁性体基板１１と、矢印Ｒで示す外力の印加方向である非磁性体基板１１の長手方向に沿った一対の対向面（表面）にそれぞれ磁性薄膜１２ａ、１２ｂが成膜されている。各磁性薄膜１２ａ、１２ｂは、複数本の直線部分が所定間隔で平行に並び、順次折り返すように、端部を導電性非磁性金属薄膜で電気的に接続したパターンに形成され、それぞれ終端部分には電極１３ａ、１３ｂを有する。磁性薄膜１２ａ、１２ｂには磁場中で熱処理をして、外部磁界に対するインピーダンス変化特性をＶ字型にする場合は幅方向に、外部磁界に対するインピーダンス変化特性を逆Ｖ字型にする場合は長手方向に磁化容易軸を形成させておく。第１の実施形態と同様に、外部磁界に対するインピーダンス変化特性を適切なＶ字型または逆Ｖ字型の特性とするように、磁性薄膜１２ａ、１２ｂのパターンの長手方向に直交する方向と磁化容易軸の方向のなす角度は適切に設定する。
【００３８】
本実施形態のセンサ素子は、非磁性体基板１１の長手方向の一対の対向面にそれぞれ磁性薄膜１２ａ、１２ｂを有し、外力を印加する方向（印加方向）をセンサの長手方向とする。
【００３９】
第１の実施形態と同様に、撓み等の長手方向以外の変形が起こらないようにセンサ素子の動きを規制するためのガイド部材１４をセンサ素子の周りに設ける。ガイド部材１４は磁気シールドの機能を持たせるためにパーマロイやフェライト等の高透磁率磁性材料で構成することが好ましい。非磁性体基板１１は長手方向以外に変形しないように、このガイド部材１４に接着剤やビス等で部分的に固定されている。ガイド部材１４は複数個に分かれた部材を組み立ててもよい。さらに、Ｘ方向の片側端部は動かないよう接着剤やビス等で固定されていて、反対側の端部より長手方向の力（外力）を印加することによってセンサ素子を伸縮させ、磁性薄膜１２ａ、１２ｂに伸び縮みの変化を与える。
【００４０】
本実施形態においては、対向する２面に成膜された磁性薄膜１２ａ、１２ｂのインピーダンスの変化を利用して、組み込み時等の撓みの影響を相殺する。この動作の原理を図３に基づいて説明する。
【００４１】
図３の（ｂ）に示すように、非磁性体基板１１が接着剤の収縮や組み込み時に加わる応力等で撓む場合、非磁性体基板１１の一対の対向面のうちの一方に形成した磁性薄膜１２ａの出力特性は図３の（ａ）のグラフＳ１で表す変化を示す。また他方の磁性薄膜１２ｂの出力特性は図３の（ａ）のグラフＳ２で表す変化を示す。ここでは説明を簡単にするため、図８の（ｃ）のように外力を掛けていないときのインピーダンスＺを電圧に変換した値（Ｂ点）を原点とみなして、図３の（ａ）のグラフを作成している。グラフＳ１、Ｓ２で示すように、出力特性の原点からのオフセットが互いに逆方向に発生してしまうため、補正を施す必要がある。
【００４２】
そこで、グラフＳ１、Ｓ２で示す磁性薄膜１２ａ、１２ｂによる第１、第２の信号の出力特性に所定の係数を掛けて加算または単純に和算することで、組み込み時等に発生するセンサの撓みが引き起こす出力特性のオフセットを相殺する。このような演算によって、グラフＳ０で表すような出力特性の出力信号を安定的に生成することができる。また、センサの長手方向以外に加わる外力による撓みの影響も相殺されるため、ガイド部材１４による規制を緩やかにすることもできる。
【００４３】
また、単純に磁性薄膜１２ａ、１２ｂを電気的に直列に接続し両端の電圧を取りだすことはそれぞれの磁性薄膜１２ａ，１２ｂのインピーダンスＺを足すことと同じであり、組み込み時等に発生するセンサの撓みが引き起こす出力特性のオフセットを相殺することができる。
【００４４】
図４の（ａ）はセンサ駆動回路を示す。発振回路２０は、インバータＩＣとＣ、Ｒで高周波（数百ｋＨｚ〜数百ＭＨｚ）のパルス電流を発振させる。次に、センサ素子をブリッジ回路２１に組み込み、発振させたパルス電流（高周波電流）を流す。２つの磁性薄膜の両端電圧を検波回路２２につなぎ、振幅検知し、次の加算回路２３で演算による出力信号を生成する。加算回路２３は二つの入力（第１の信号及び第２の信号）を加算すると同時に、所定の基準電圧を原点として反転する構成になっている。すなわち加算後の出力電圧は押圧する方向に外力（押圧力）を加えると増加する。ここでは単純に加算して反転する構成であるが、非線形性を補正する働き等を付加してもよい。また反転しない構成としてもよい。また、図４の（ｂ）のように素子を直列につなぐ構成としてもよい。
【００４５】
これにより、固定時の接着等に起因する歪や外力印加時のセンサ素子の意図しない撓みによる出力オフセットを相殺し、正確な出力信号を生成することができる。
【００４６】
図５に実際のセンサでヒステリシスが発生するかどうかを検証した測定データを示す。非磁性体基板には安定化ジルコニア基板（３．５×０．３５ｍｍ、ｔ（厚み）＝０．３ｍｍ）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２．０ｍｍを６本とし、端部を銅箔パターンで電気的に接続し、非磁性体基板の長手方向に沿った面のうち対向する２面に磁性薄膜を成膜した。
【００４７】
図５はセンサ素子に長手方向から一定の荷重になるまで押圧力を加えその後徐々に押圧力を小さくしていった時のセンサの出力特性を示したもので、非磁性体基板の対向する２面に成膜された磁性薄膜の両端電圧を検波し加算処理した特性である。
【００４８】
本実施形態によれば測定全域でリニアリティは良好であった。また、外乱磁界の影響によるノイズもほとんどなかった。電源電圧５Ｖ、回路ゲイン４５倍において１．８ｍＶ／ｇｆの高い感度が得られた。
【００４９】
本実施形態の力学センサを、ロボットアームに応用した場合について説明する。
【００５０】
図６に示すように、ロボットアーム３１の先端に、一対の、本実施形態による力学センサ３２、３３を組み付ければ、ロボットアーム３１が物体を掴む時の圧力（押圧力）の直接検知が可能になる。
【００５１】
各力学センサ３２、３３は、小型で、軽量なセンサであるから、ロボットアーム３１に負荷を掛けずに微小な圧力の変化を検知できる。
【００５２】
その他の応用例では、セキュリティ関係で、直接物体に触れながら初期値からのわずかな荷重の変化を検知し、盗難防止用アラーム等を発動させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】第１の実施形態による力学センサの基本構成を示す図である。
【図２】第２の実施形態による力学センサの基本構成を示す図である。
【図３】図２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】図２の力学センサのセンサ駆動回路を示す図である。
【図５】図２の力学センサの特性を示すグラフである。
【図６】図２の力学センサを搭載したロボットアームを示す図である。
【図７】従来例による力学センサの構成を示す図である。
【図８】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９】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１０】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１１】図７の力学センサの撓み量を検出した特性図である。
【符号の説明】
【００５４】
１、１１    非磁性体基板
２、１２ａ、１２ｂ    磁性薄膜
３、１３ａ、１３ｂ    電極
４、１４    ガイド部材
２０    発振回路
２１    ブリッジ回路
２２    検波回路
２３    加算回路
３１    ロボットアーム
３２、３３    力学センサ
【図１】
2009008520.tif 000003
【図２】
2009008520.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009008520.tif 000006
【図５】
2009008520.tif 000007
【図６】
2009008520.tif 000008
【図７】
2009008520.tif 000009
【図８】
2009008520.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2009008520.tif 000012
【図１１】
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