(57)【要約】【課題】微小な力やトルクを高感度で計測できるようにし、電気絶縁膜を必要とせず、そのため作製工程を大幅にを簡略化できる構造にする。【解決手段】基板上に、直線部分と折り返し部分とが交互に連なるつづら折れ状パターンのコイルが形成され、該コイルの近傍に超磁歪膜が設けられている歪センサにおいて、前記コイルの各直線部分が、それぞれ個別にソフト磁性膜と超磁歪膜、もしくは超磁歪膜同士で直接コイルに接するように上下から挟まれたサンドイッチ構造になっている。超磁歪膜とソフト磁性膜（もしくは超磁歪膜）は、ともにコイルの直線部分の長さ以下で且つコイルの直線部分の幅以上の短冊状パターンであり、基板上で隣り合う短冊状パターン同士が重なり合わないように配設されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、直線部分と折り返し部分とが交互に連なるつづら折れ状パターンのコイルが形成され、該コイルの近傍に超磁歪膜が設けられている歪センサにおいて、
前記コイルの各直線部分が、それぞれ個別にソフト磁性膜と超磁歪膜とで直接コイルに接するように上下から挟まれたサンドイッチ構造になっていることを特徴とする歪センサ。
【請求項２】
ソフト磁性膜と超磁歪膜は、ともにコイルの直線部分の長さ以下で且つコイルの直線部分の幅以上の短冊状パターンであり、基板上で隣り合う短冊状パターン同士が重なり合わないように配設されている請求項１記載の歪センサ。
【請求項３】
ソフト磁性膜が、気相成長させたＮｉＦｅ系磁性材料からなる請求項１又は２記載の歪センサ。
【請求項４】
基板上に、直線部分と折り返し部分とが交互に連なるつづら折れ状パターンのコイルが形成され、該コイルの近傍に超磁歪膜が設けられている歪センサにおいて、
前記コイルの各直線部分が、それぞれ個別に超磁歪膜と超磁歪膜とで直接コイルに接するように上下から挟まれたサンドイッチ構造になっていることを特徴とする歪センサ。
【請求項５】
上下の超磁歪膜は、ともにコイルの直線部分の長さ以下で且つコイルの直線部分の幅以上の短冊状パターンであり、基板上で隣り合う短冊状パターン同士が重なり合わないように配設されている請求項４記載の歪センサ。
【請求項６】
超磁歪膜が、気相成長させたＲＴ系磁歪材料（但し、Ｒ：Ｙを含む希土類元素、Ｔ：Ｆｅ，Ｃｏを主成分とする遷移金属）からなる請求項１乃至５のいずれかに記載の歪センサ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の歪センサを用い、外力により前記歪センサに生じる歪を、コイルのインピーダンス変化を検出することにより、もしくはコイルの共振周波数変化を検出することにより計測する歪計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超磁歪膜を用いた歪センサに関し、更に詳しく述べると、基板上に形成したつづら折れ状コイルの直線部分を、それぞれ個別にソフト磁性膜と超磁歪膜、もしくは超磁歪膜同士で、直接コイルに接するように上下から挟んだサンドイッチ構造を有する歪センサに関するものである。この歪センサは、例えばマイクロマシンなどの分野において、微小な力・トルクなどを計測するのに有用である。
【背景技術】
【０００２】
次世代情報機器における超小型化、さらには究極の省エネルギー・低環境負荷型「ものづくり」を目指すマイクロファクトリー等、様々なマイクロシステムの実現に向け活発な研究が進められている。こうしたマイクロシステムを実現するためには、信頼性が高く高度に集積化されたセンサが必須とされる。特に、マイクロアクチュエータやマイクロマシン分野における発生力やトルクの評価、及びマイクロトライポロジー分野での摩擦力や材料間の相互作用の評価として微小力計測が必要となっている。
【０００３】
しかし、これらの分野における微小力計測範囲や計測部位が従来の測定対象に比べ格段に小さいため、金属歪ゲージや半導体ゲージなど既存のセンサでは評価ができなくなっており、測定装置とマイクロマシン間等のインターフェイスに多くの課題を抱えている。
【０００４】
そこで近年、基板上に形成した超磁歪膜の表面に、電気絶縁層を介してコイルを形成した構造の歪センサが開発されている（例えば、特許文献１参照）。この歪センサは、微小な外力により超磁歪膜の透磁率が変化することを利用し、コイルのインピーダンス変化を計測することで歪を求めることができる。しかし、従来構造の歪センサは、コイル間の電気的短絡を防ぐため電気絶縁層を必要とし、そのため作製工程が複雑になる他、電気絶縁層が介在するために完全な閉磁路構造にならず、感度の更なる向上は難しい。
【特許文献１】特開２００３−２７９４２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、微小な力やトルクを高感度で計測できるようにすることである。本発明が解決しようとする他の課題は、電気絶縁膜を必要とせず、作製工程を簡略化できる構造の歪センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決できる本発明は、基板上に、直線部分と折り返し部分とが交互に連なるつづら折れ状パターンのコイルが形成され、該コイルの近傍に超磁歪膜が設けられている歪センサにおいて、コイルの各直線部分が、それぞれ個別にソフト磁性膜と超磁歪膜とで直接コイルに接するように上下から挟まれたサンドイッチ構造になっていることを特徴とする歪センサである。ソフト磁性膜と超磁歪膜は、ともにコイルの直線部分の長さ以下で且つコイルの直線部分の幅以上の短冊状パターンであり、基板上で隣り合う短冊状パターン同士が重なり合わないように配設される。なお、ソフト磁性膜としては、気相成長させたＮｉＦｅ系磁性材料が好ましい。
【０００７】
また本発明は、基板上に、直線部分と折り返し部分とが交互に連なるつづら折れ状パターンのコイルが形成され、該コイルの近傍に超磁歪膜が設けられている歪センサにおいて、コイルの各直線部分が、それぞれ個別に超磁歪膜と超磁歪膜とで直接コイルに接するように上下から挟まれたサンドイッチ構造になっていることを特徴とする歪センサである。上下の超磁歪膜は、ともにコイルの直線部分の長さ以下で且つコイルの直線部分の幅以上の短冊状パターンであり、隣り合う短冊状パターン同士が重なり合わないように配設される。
【０００８】
本発明で用いる超磁歪膜としては、気相成長させたＲＴ系磁歪材料（但し、Ｒ：Ｙを含む希土類元素、Ｔ：Ｆｅ，Ｃｏを主成分とする遷移金属）などがある。例えば、希土類元素がＴｂで、その組成比率が３０〜４５ａｔ％であることが望ましい。コイルは、気相成長させたＣｕ系材料、あるいは無電解めっき又は電解めっきによって形成させたＣｕ材料などからなる。
【０００９】
本発明は、このような歪センサを用い、外力により前記歪センサに生じる歪を、超磁歪膜の透磁率が変化することを利用して計測する方法であり、コイルのインピーダンス変化を検出する方式の他、コイルの共振周波数変化を検出する方式も可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る歪センサは、つづら折れ状パターンのコイルの各直線部分を、それぞれ個別に上下で挟むように、ソフト磁性膜と超磁歪膜、もしくは超磁歪膜と超磁歪膜とで挟んだサンドイッチ構造としたことにより、コイルの周辺に短絡防止のために電気的絶縁を施す必要が無くなり、そのため構造が簡素化され、作製工程も大幅に低減し、低コスト化を図ることができる。
【００１１】
また本発明に係る歪センサは、コイルの各直線部分が磁気的な閉回路になるので、微小な外力により超磁歪膜の透磁率が変化するときのコイルのインピーダンス変化の検出感度を上げることができる。更に、同様の理由で、コイルの共振周波数変化を検出することができ、それにより歪を計測することも可能となる。
【実施例】
【００１２】
図１は、本発明に係る歪センサの一実施例を示す平面図であり、図２はその拡大断面図である。この歪センサは、厚さ０．１ｍｍ程度の薄いガラスやシリコン（Ｓｉ）などからなる基板１０上に、短冊状の多数の超磁歪膜１２と、つづら折れ状パターンのコイル１４と、短冊状の多数のソフト磁性膜（あるいは超磁歪膜）１６を、その順に積層した構造である。
【００１３】
つづら折れ状パターンのコイル１４は、図３のＡに示すように、直線部分１４ａと折り返し部分１４ｂとが交互に連なる形状である。ここでは、つづら折れ数が１０で、両端に端子部分１４ｃが形成され、直線部分１４ａが縦方向に延びるようなパターンに設定されている。それに対して、ソフト磁性膜１６や超磁歪膜１２は、同形で、図３のＢに示すように、ともにコイル１４の直線部分１４ａの長さ以下で且つコイル１４の直線部分１４ａの幅以上の短冊形状であり、縦長の短冊状パターンが基板１０上で横方向に隣り合い、且つ横方向で隣り合う短冊状パターン同士が互いに重なり合わないように（電気的に短絡しないように）配設されている。これらを重ねると、コイル１４の各直線部分１４ａが、それぞれ個別に、ソフト磁性膜（もしくは超磁歪膜）１６と超磁歪膜１２とで直接コイル１４に接するように上下から挟まれた（間に電気絶縁材が介在しない状態で）サンドイッチ構造となる。
【００１４】
図４は、本発明に係る歪センサの他の実施例を示す平面図である。その断面構造は、図２と同様である。説明を簡略化するため、対応する部材には同一符号を付す。この歪センサも、厚さ０．１ｍｍ程度の薄いガラスやシリコン（Ｓｉ）などからなる基板１０上に、短冊状の多数の超磁歪膜１２と、つづら折れ状パターンのコイル１４と、短冊状の多数のソフト磁性膜（あるいは超磁歪膜）１６を、その順に積層した構造である。
【００１５】
つづら折れ状パターンのコイル１４は、図５のＡに示すように、直線部分１４ａと折り返し部分１４ｂとが交互に連なる形状である。ここでは、つづら折れ数が片側５ずつ（両側で合計１０）で、両端に端子部分１４ｃが形成され、直線部分１４ａが横方向に延びるパターンである。それに対して、ソフト磁性膜や超磁歪膜は、図５のＢに示すように、ともにコイル１４の直線部分１４ａの長さ以下で且つコイル１４の直線部分１４ａの幅以上の短冊形状であり、縦長の短冊状パターンが基板上で縦方向に隣り合い、且つ短冊状パターン同士が互いに重なり合わないように（電気的に短絡しないように）配設されている。これらを重ねると、コイル１４の各直線部分１４ａが、それぞれ個別に上下から、ソフト磁性膜（もしくは超磁歪膜）１６と超磁歪膜１２とで直接挟まれた（間に電気絶縁材が介在しない）サンドイッチ構造となる。
【００１６】
この歪センサは、大きな磁歪特性を有し且つ膜形状が単純で容易に形成できる超磁歪膜を薄い基板上に成膜した構造なので、力計測範囲や計測部位を格段に小さくすることができ、マイクロアクチュエータ、マイクロマシンなどに使用される微小な力やトルクなどを計測することができる。具体的には、微小な外力の印加により容易に基板が歪み、この基板の歪により超磁歪膜の透磁率が変化する時のコイルのインピーダンス変化を検出して歪を測定する。サンドイッチ構造にすると、図２から分かるように、コイルの直線部分の周囲には、ソフト磁性膜と超磁歪膜により、もしくは超磁歪膜同士により、磁気的な閉回路が構成され、微小な外力により磁歪膜の透磁率が変化する時のコイルのインピーダンス変化の感度が向上する。
【００１７】
また、本発明に係る歪センサでは、ソフト磁性膜や超磁歪膜は、ともにコイルの直線部分の長さ以下で且つコイルの直線部分の幅以上の短冊状パターンであり、短冊状パターンが隣り合い、且つ短冊状パターン同士が互いに重なり合わないように（電気的に短絡しないように）配設されているので、コイルと磁性膜（ソフト磁性膜や超磁歪膜）との間に電気絶縁層を介在させる必要が無くなり、作製工程を大幅に簡略化できる。
【００１８】
コイルを高電気伝導率材料の膜で構成することで、インピーダンス変化の感度を上げることができる。例えば、蒸着やスパッタなどの手法により気相成長させたＣｕ系材料、あるいは無電解めっき又は電解めっきによって形成したＣｕ材料などが好ましい。
【００１９】
超磁歪膜としては、例えば気相成長させたＲＴ系磁歪材料（但し、Ｒ：Ｙを含む希土類元素、Ｔ：Ｆｅ，Ｃｏを主成分とする遷移金属）が好適である。気相成長させた超磁歪膜はアモルファス構造を形成するため、結晶磁気異方性がなくなることで、大きな磁歪特性と同時に高透磁率を有するソフト磁性を兼ね備えているからである。具体的には、希土類元素としてＴｂを用い、その組成比率を３０〜４５ａｔ％とするのがよい。このＲＴ系超磁歪材料は、低磁場（８０ｋＡ／ｍ）で磁歪１０００ｐｐｍ以上というように、従来の磁歪膜には見られない顕著な磁歪特性が得られており、この超磁歪材料を本発明の歪センサに適用すれば、計測部位が非常に小さく且つ極微小歪みに対しても、センサ感度を容易に上げることが可能となる。
【００２０】
ソフト磁性膜を用いる場合は、例えば気相成長させたＮｉＦｅ系の高透磁率磁性材料が好ましい。高い透磁率と小さい保磁力を有するソフト磁性膜を用いることで、微小な外力による超磁歪膜の透磁率変化を感度良く検知することができる。特に、超磁歪膜をコイルの下層に、ソフト磁性膜をコイルの上層に配置するのが好ましいが、その際、ソフト磁性膜がコイル幅よりも大きいと、コイル段差による磁区の乱れが生じるため、できるだけ磁歪の小さいＮｉ８０Ｆｅ２０組成などの気相成長された膜が有効である。
【００２１】
本発明に係る歪センサによる歪検出方式としては、コイルのインピーダンス変化を検出する方式の他、コイルの共振周波数変化を検出する方式も可能である。本発明に係る歪センサは、つづら折れコイルを超磁歪膜とソフト磁性膜（あるいは超磁歪膜）とで挟み磁気的な閉回路を形成しているので、微小な外力により磁歪膜の透磁率が変化する時の、コイルのインピーダンス変化の感度を上げることができ、またコイルの共振周波数変化が大きく、周波数変調検出が容易となる。
【００２２】
図１に示す構造と図４に示す構造の２種類の歪センサを試作し、寸法を変化させて性能評価を行った。ここで、図１に示す構成は、両方の端子を結ぶラインの方向（横方向）に対してコイル直線部分が縦方向（垂直方法）に延びるので便宜的にＶ型と名付け、図４に示す構成は、両方の端子を結ぶラインの方向（横方向）に対してコイル直線部分が横方向（水平方向）に延びるので便宜的にＨ型と名付ける。
【００２３】
厚さ０．１ｍｍのガラス基板上に、レジスト塗布後フォトリソグラフィー技術にて多数の短冊状の開口が形成されるようにパターニングした後、ＤＣマグネトロンスパッタによる気相成長で下層の超磁歪膜を成膜した。ここでは、Ｆｅターゲット上にＴｂチップとＣｏチップを配置してＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ３元系磁歪材料の組成を調整した。超磁歪膜の組成は、Ｔｂ：約４０ａｔ％，Ｆｅ：約４０ａｔ％，Ｃｏ：約２０ａｔ％であり、膜厚は約１μｍである。レジストを有機溶剤にて除去（リフトオフプロセス）することにより、多数配列された短冊状の超磁歪膜を形成した。続いて、同様のフォトリソグラフィー技術により、両端に端子部分用の矩形開口とそれに連なるつづら折れ状の開口が形成されるようにパターニングした後、ＤＣマグネトロンスパッタによる気相成長によって厚さ約１μｍのＣｕ膜を成膜した。リフトオフプロセスにより、Ｃｕ膜をつづら折れ形状のコイルにして、各直線部分が短冊状の超磁歪磁歪膜の上に位置するように形成した。更に、同様のフォトリソグラフィー技術にて多数の短冊状の開口が形成されるようにパターニングした後、ＤＣマグネトロンスパッタによる気相成長で上層の磁性膜を成膜し、その後、リフトオフプロセスにより、上層の短冊状の磁性膜を、つづら折れコイルの直線部分の上で、かつ下層の短冊状の超磁歪膜の真上に配置した。上層の磁性膜としては、厚さ約１μｍのＮｉ８０Ｆｅ２０膜、厚さ約１μｍの超磁歪膜、厚さ約０．５μｍのＮｉ８０Ｆｅ２０膜の３通りである。
【００２４】
作製した試料（歪センサ）の各部の寸法表示は図６の通りである。なお、図６のＡはＶ型の場合、図６のＢはＨ型の場合である。これらにおいて、ｗｆ：磁性膜幅、ｄｆ：磁性膜間スペース、ｗｃ：コイル幅、ｄｃ：コイル間スペースである。なお、各試料は、コイルのつづら折れ数を１０で一定にしている。試料の評価は、図７のような測定系で実施した。試料（歪センサ）２０を支持台２２上に立設し、その先端をマイクロメータ２４のヘッドで横方向に押すことで、外部から力を印加し歪ませる。他方、コイル両端の端子部分に測定器（例えばインピーダンスアナライザ）２６を接続し、インピーダンスと共振周波数を測定できるようにする。具体的には、試料２０に歪を印加していない状態での共振周波数、試料２０を１００μｍ歪ませた際の共振周波数の変化ならびに最大インピーダンス変化を測定した。
【００２５】
その測定結果を表１〜表３に示す。表１は、下層となる膜厚１μｍの超磁歪膜と上層となる膜厚１μｍのＮｉ８０Ｆｅ２０膜とのサンドイッチ構造の例である。
【表１】
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【００２６】
表２は、下層となる膜厚１μｍの超磁歪膜と上層となる膜厚１μｍの超磁歪膜とのサンドイッチ構造の例である。
【表２】
2009036733.tif 000004
【００２７】
表３は、下層となる膜厚１μｍの超磁歪膜と上層となる膜厚０．５μｍのＮｉ８０Ｆｅ２０膜とのサンドイッチ構造の例である。
【表３】
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【００２８】
表１と表２との対比から、下層の超磁歪膜に対して上層はソフト磁性膜とする方が（上層も超磁歪膜とするよりも）良好な結果が得られる。また表１から、Ｖ型とＨ型を対比すると、構造的にはＶ型の方が良好な結果が得られている。
【００２９】
本発明のように、基板上に形成したつづら折れ状のコイルを超磁歪膜とソフト磁性膜、または超磁歪膜同士で挟んだサンドイッチ構造としたことで、磁気的には閉回路となり、超磁歪膜を通る磁束数を多くでき、微小な外力により超磁歪膜の透磁率が変化する時の、コイルのインピーダンス変化の感度が上がる。特に、コイル間を電気的に短絡させない構造なので、超磁歪膜とコイル、ソフト磁性膜とコイルとで電気的絶縁を施す必要が無くなり、作製工程が非常に簡略化できる。従って、本発明の歪センサを用いれば、マイクロアクチュエータやマイクロマシン分野における極微小の発生力やトルクを、高感度でかつ再現性よく評価できることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る歪センサの一実施例を示す平面図。
【図２】その断面図。
【図３】そのコイルと超磁歪膜の平面形状を示す説明図。
【図４】本発明に係る歪センサの他の実施例を示す平面図。
【図５】そのコイルと超磁歪膜の平面形状を示す説明図。
【図６】測定の試料となる歪センサの寸法関係を示す説明図。
【図７】試料を評価する測定系の説明図。
【符号の説明】
【００３１】
１０  基板
１２  超磁歪膜
１４  コイル
１４ａ  直線部分
１４ｂ  折り返し部分
１４ｃ  端子部分
１６  ソフト磁性膜（もしくは超磁歪膜）
【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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