JP2002221513A - マイクロセンサ及びその用途 - Google Patents

マイクロセンサ及びその用途

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JP2002221513A JP2001017396A JP2001017396A JP2002221513A JP 2002221513 A JP2002221513 A JP 2002221513A JP 2001017396 A JP2001017396 A JP 2001017396A JP 2001017396 A JP2001017396 A JP 2001017396A JP 2002221513 A JP2002221513 A JP 2002221513A
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electromotive force
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microsensor
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JP2001017396A
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Seiji Motojima
栖二 元島
Takao Tsuda
孝雄 津田
Yukio Hishikawa
幸雄 菱川
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CMC Technology Development Co Ltd
Tsuda Takao
Original Assignee
CMC Technology Development Co Ltd
Tsuda Takao
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 微少な変動磁場を精度が高く検知することが
できるマイクロセンサ及びその用途を提供する。 【解決手段】 マイクロセンサは炭素繊維によりコイル
状に形成されたコイル状炭素繊維14と、変動磁場に曝
されたコイル状炭素繊維14の電磁誘導によって生じる
交流電圧である誘導起電力Vを測定可能なオシロスコー
プ16とより構成されたものである。コイル状炭素繊維
14は、その炭素繊維の直径が1nm〜10μm、コイ
ルの直径が少なくとも2nm〜100μmのものであ
る。そして、マイクロセンサを変動磁場に配置すること
により、変動磁場に曝されたコイル状炭素繊維14に電
磁誘導によって交流の誘導起電力Vが発生し、その誘導
起電力Vが交流信号としてオシロスコープ16に表示さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、微少な領域の変
動磁場センサ、マイクロマシンの方位センサ、フロッピ
ィディスクの読み取りのための磁気ヘッド等に使用され
るマイクロセンサ及びその用途に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年になり、集積回路(IC)の集積技
術の進歩により、中央処理装置(CPU)、メモリ等の
マイクロプロセッサやマイクロセンサを搭載したマイク
ロマシンが開発されるようになってきた。マイクロマシ
ンとしては例えば、マイクロモータの回転により移動可
能なマイクロ車が知られている。このマイクロ車には、
磁力により回転可能なマイクロモータ、そのマイクロモ
ータの変動磁場の磁束の向きや磁束密度の大きさを測定
するマイクロセンサ等が搭載されている。
【0003】そして、マイクロ車では前記マイクロセン
サとしての磁気センサによって測定された値が電気信号
等に変換される。この電気信号等に依存してマイクロモ
ータの変動磁場の磁束密度等を変更することにより回転
速度等を変更して、マイクロ車の移動速度等を調節する
ことができる。
【0004】前記磁気センサとしては、コイルと、その
コイルの両端に接続したオシロスコープとより構成され
たものが知られている。このマイクロセンサを変動磁場
に配置することにより、変動磁場に曝されたコイルに電
磁誘導によって誘導起電力Vが発生し、その誘導起電力
Vが信号としてオシロスコープに表示される。
【0005】また、その他の磁気センサとしてはホール
素子を使用したものが知られ、このホール素子はN形半
導体より形成されたものである。そして、このホール素
子に電源を接続し、電子により電流を流した状態で、ホ
ール素子の上下位置に磁極を配置すると、電子の流れが
直角方向に曲げられ、ホール素子に接続されたホール端
子間に前記磁極の磁界の強さに比例した電流が流れ、ホ
ール電圧が信号等に変換されて表示される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
マイクロセンサにおいて、コイルを利用した磁気センサ
では、そのコイルのサイズを小さくするには限度があ
り、コイルによって検知可能な磁束密度の大きさ、即ち
検知可能な変動磁場の大きさには限度があり、その限界
値より小さい変動磁場では使用することができなくなる
という問題があった。
【0007】また、ホール素子を利用した磁気センサに
おいては、ホール電圧は直流電圧であり、得られる信号
は直流信号である。そのため、地磁気等の外部環境の変
動磁場や測定回路からの磁気発生に基づくノイズが直流
信号に入り、磁気センサの精度が低くなるという問題が
あった。
【0008】この発明は、このような従来技術に存在す
る問題点に着目してなされたものである。その目的とす
るところは、微少な変動磁場を精度が高く検知すること
ができるマイクロセンサ及びその用途を提供することに
ある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項1に記載の発明のマイクロセンサは、炭素
繊維によりコイル状に形成され、その炭素繊維の直径が
1nm〜10μm、コイルの直径が2nm〜100μm
のコイル状炭素繊維と、変動磁場に曝された前記コイル
状炭素繊維の電磁誘導によって生じる誘導起電力又は同
誘導起電力により発生する誘導電流を測定可能な測定器
とより構成され、前記誘導起電力又は誘導電流に基づい
て前記変動磁場を検知可能としたものである。
【0010】請求項2に記載の発明のマイクロセンサ
は、請求項1に記載の発明において、1nm2〜104μ
2の領域に形成された変動磁場を検知可能としたもの
である。
【0011】請求項3に記載の発明のマイクロセンサ
は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記
変動磁場の磁束密度は、予め測定された磁束密度と、そ
の磁束密度と比例関係にある誘導起電力とよりなる一次
式に、前記測定器により測定された誘導起電力を代入し
て算出可能としたものである。
【0012】請求項4に記載の発明のマイクロセンサ
は、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発明に
おいて、磁束密度が10-5mT〜102Tの変動磁場を
検知可能としたものである。
【0013】請求項5に記載の発明のマイクロマシン
は、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のマイク
ロセンサを方位センサとして使用したものである。請求
項6に記載の発明の微生物の生命活動モニタは、請求項
1〜請求項4のいずれか一項に記載のマイクロセンサを
使用して、微生物の変動磁場の有無を検知し、その微生
物の生命活動の有無を検知可能としたものである。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を、図
面に基づいて詳細に説明する。マイクロセンサは炭素繊
維によりコイル状に形成されたコイル状炭素繊維と、変
動磁場に曝されたコイル状炭素繊維の電磁誘導によって
生じる交流電圧である誘導起電力V(mV)又は同誘導
起電力Vにより発生する誘導電流I(mA)を測定可能
な測定器とより構成されたものである。
【0015】まず、前記コイル状炭素繊維について説明
すると、コイル状炭素繊維は、その炭素繊維の直径が1
nm〜10μm、コイルの直径が少なくとも2nm〜1
00μmのものである。なお、コイル状炭素繊維として
はコイルのピッチが0.01〜50μm及びコイルの長
さが3μm 〜10mmのものを使用するのが好ましい。
また、コイル状炭素繊維はほとんどがその繊維の中心部
分まで微細な炭素粒が詰まった状態で形成され、一部に
中空状に形成されたものも観察される。
【0016】コイル状炭素繊維は螺旋構造を有し、その
螺旋構造には一重螺旋構造又は二重螺旋構造が含まれ、
コイルの螺旋の巻き方向として右巻きの螺旋構造を有す
るもの若しくは左巻きの螺旋構造を有するもの又はそれ
らの混合物が存在する。そして、コイル状炭素繊維は変
動磁場に曝されると、ファラデーの法則に従い電磁誘導
によりコイル内に誘導起電力Vが発生し、その誘導起電
力Vにより誘導電流Iが流れるものである。
【0017】また、コイル状炭素繊維は、炭化水素又は
一酸化炭素を、金属触媒の存在下に600〜3000℃
に加熱し、気相で炭化水素又は一酸化炭素を分解反応さ
せることにより成長するものである。コイル状炭素繊維
は、触媒活性化CVD(化学気相成長)法等により得る
ことができる。例えば、内部に金属触媒の存在する横型
熱化学気相合成装置(反応容器)内に基材を配置し、周
期律表の5B族又は6B族の化合物よりなる触媒ガス、
水素ガス及びシールガスを注入し、さらに、炭化水素又
は一酸化炭素を注入して所定温度で加熱分解したとき、
前記金属触媒から成長するものである。
【0018】前記測定器は、コイル状炭素繊維に接続さ
れ、そのコイル状炭素繊維に発生する誘導起電力Vを測
定する電圧計、前記誘導電流Iを測定する電流計、発生
した誘導起電力Vを波形信号として表示するオシロスコ
ープ等が挙げられる。そして、例えば、コイル状炭素繊
維の両端に接続した銅線とオシロスコープとを接続する
ことによりマイクロセンサが構成されている。なお、コ
イル状炭素繊維からの誘導起電力Vに基づく交流信号を
増幅器、ロックインアンプを経て測定するようにマイク
ロセンサを構成することもできる。
【0019】そのマイクロセンサを変動磁場に配置する
ことにより、変動磁場に曝されたコイル状炭素繊維に電
磁誘導によって交流の誘導起電力Vが発生し、その誘導
起電力Vが交流信号としてオシロスコープに表示され
て、変動磁場の検知が可能となる。この交流信号に外部
からの変動磁場、例えば地磁気等によるノイズが入った
としても、交流信号の対称位置のノイズ同士で相殺さ
れ、オシロスコープに表示される交流信号のノイズが小
さくなる。さらに、交流電圧は、直流電圧と比較して増
幅しやすいため、微少な誘導起電力Vを増幅し、微少な
変動磁場の検知が可能となる。
【0020】マイクロセンサを変動磁場に配置した状態
において、コイル状炭素繊維の巻数をN、コイル状炭素
繊維と鎖交する磁束をΦとし、前記磁束Φが時間tとと
もに変化したときの誘導起電力Vは V=−N・ΔΦ/Δt…(1) (なお、ΔΦは時間tの変化Δtにおける磁束Φの変化
量を示す。) 上記式(1)で示される。そのため、コイル状炭素繊維
の長さが長く、巻数Nが大きいほどコイル状炭素繊維に
発生する誘導起電力Vは大きくなる。また、変動磁場に
おける磁束密度Bは、同変動磁場の磁極からコイル状炭
素繊維までの距離rの二乗に反比例するため、コイル状
炭素繊維、即ちマイクロセンサを磁極から遠ざけるに連
れて測定される誘導起電力Vは小さくなる。
【0021】さらに、磁束密度Bは誘導起電力Vと比例
関係にあり、定数をkとした場合、磁束密度Bと誘導起
電力Vとは B=kV…(2) 上記式(2)に示される一次式で表現することができ
る。そして、マイクロセンサにより測定された誘導起電
力Vを前記一次式に代入することにより、変動磁場の磁
束密度Bが算出されるようになっている。
【0022】また、マイクロセンサは1nm2〜104μ
2の大きさの変動磁場に配置されても、コイル状炭素
繊維に誘導起電力Vが発生するため、その変動磁場を検
知し、その誘導起電力Vから磁束密度Bを算出すること
ができる。より微少な変動磁場を検知し、本実施形態の
マイクロセンサの効果を有効に発揮させるため、マイク
ロセンサを1nm2〜300μm2の微少な変動磁場で使
用するのが好ましい。
【0023】さらに、マイクロセンサは磁束密度が10
5mT〜102Tの変動磁場においても、コイル状炭素
繊維に誘導起電力Vが発生するため、その変動磁場を検
知し、測定される誘導起電力Vから磁束密度Bを算出す
ることができる。より微少な変動磁場を検知し、本実施
形態のマイクロセンサの効果を有効に発揮させるため、
マイクロセンサを磁束密度が10―5mT以上10―3
T未満の微少な変動磁場で使用するのが好ましい。
【0024】上記構成のマイクロセンサを、図1に示す
マイクロマシンである自走型マイクロ車11に搭載し、
そのマイクロ車11における方位センサとして機能させ
てもよい。このマイクロ車11にはマイクロモータ(図
示せず)が搭載され、方位センサにより測定された所定
の方向へ二次元又は三次元的に自走するものである。
【0025】即ち、マイクロ車11を、電磁コイル12
により形成された変動磁場に配置すると、コイル状炭素
繊維14に誘導起電力Vが発生する。そして、電磁コイ
ル12の軸線とコイル状炭素繊維14の軸線とが同軸線
上に位置したとき、コイル状炭素繊維14には最大の誘
導起電力Vが生じる。そして、その誘導起電力Vが最大
となる方向がマイクロセンサ(図示せず)により検知さ
れると、マイクロ車11はマイクロモータの回転により
その方向へ向かって自走する。このとき、マイクロ車1
1は電磁コイル12の軸線に対して10―5度のずれし
かなく、方位センサの方位精度を1/100000で保
証することが可能となる。
【0026】さらに、図2に示すように、マイクロセン
サを微生物の生命活動モニタ13として応用してもよ
い。この生命活動モニタ13において、コイル状炭素繊
維14には増幅回路15及びオシロスコープ16が接続
されている。この生命活動モニタ13は、微生物とし
て、例えば単細胞微生物17の近傍位置に配置される
と、単細胞微生物17が生命活動を行っている場合、そ
の生命活動の変動磁場によりコイル状炭素繊維14に誘
導起電力Vが発生し、この誘導起電力Vが増幅回路15
により増幅されてオシロスコープ16に表示されるよう
に構成されている。
【0027】前記の実施形態によって発揮される効果に
ついて、以下に記載する。 ・ コイル状炭素繊維はその炭素繊維の直径が1nm〜
10μm、コイルの直径が少なくとも2nm〜100μ
mのものである。そのため、そのコイル状炭素繊維を利
用することにより、従来のコイルを利用した磁気センサ
と比較して、マイクロセンサを小型化することができる
とともに、従来の磁気センサでは検知すことができない
微少な変動磁場を検知可能とすることができる。
【0028】・ コイル状炭素繊維から発生する誘導起
電力Vは交流電圧であるため、地磁気等の外部磁場や内
部回路からの磁気発生に伴うノイズの少ない交流信号を
得ることができる。従って、ホール素子を利用した従来
の磁気センサと異なり、ノイズの影響を少なくして変動
磁場を正確に検知することができる。また、直流信号と
比較して交流電圧は増幅しやすいため、微少な交流電圧
を増幅して交流信号とすることができ、マイクロセンサ
を高感度とすることができる。
【0029】・ コイル状炭素繊維は磁束密度10―5
mT〜102Tの変動磁場で誘導起電力Vを発生させる
ことができ、特に10―5mT以上10―3mT未満の微
少な変動磁場においても誘導起電力Vを発生させること
ができる。従って、マイクロセンサにより微少な変動磁
場を検知することができる。また、測定された誘導起電
力Vに基づいて磁束密度Bを算出することにより、磁束
密度Bの小さい変動磁場の大きさを測定することができ
る。
【0030】・ また、マイクロセンサは1nm2〜1
4μm2の変動磁場において誘導起電力Vを発生させる
ことができ、特に1nm2〜300μm2の微少な変動磁
場においても誘導起電力Vを発生させることができる。
そのため、マイクロセンサをマイクロマシンに搭載する
ことができ、例えばマイクロマシンの電気回路部から発
生する電磁波等を測定し、その電気回路部の故障の有無
を調べたり、フロッピィディスクの情報読み取りのため
の磁気ヘッドに応用したりすることができる。
【0031】・ コイル状炭素繊維の長さを長く、巻数
Nを多くすることによりコイル状炭素繊維に流れる誘導
起電力Vを大きくすることができ、誘導起電力Vのモニ
タリングを容易に行うことができる。
【0032】・ 磁束密度Bと誘導起電力Vとの関係
を、式(2)に示す一次式で表現することができる。そ
のため、マイクロセンサにより測定された誘導起電力V
を前記一次式に代入することにより、変動磁場の磁束密
度Bを容易に算出することができる。
【0033】・ コイル状炭素繊維は触媒活性化CVD
(化学気相成長)法により容易にかつ安価に製造するこ
とができるため、マイクロセンサを容易かつ安価に製造
することができる。
【0034】・ コイル状炭素繊維はその炭素繊維の直
径が1nm〜10μm、コイルの直径が2nm〜100
μmのものである。そのため、マイクロセンサが使用さ
れる変動磁場の大きさに対応してコイル状炭素繊維の大
きさを対応させることができ、変動磁場の検知を的確に
行うことが可能となる。
【0035】・ マイクロセンサを方位センサとして応
用した場合、従来の磁気センサを方位センサとして使用
した場合と比較して検知される方位の精度を向上するこ
とができる。
【0036】・ マイクロセンサを微生物の生命活動モ
ニターとして応用することができる。その結果、オシロ
スコープ16の表示の有無を確認することにより、単細
胞微生物17が生命活動を続けているか否かを確認する
ことができる。
【0037】
【実施例】以下、実施例により、前記実施形態をさらに
具体的に説明する。まず、図3に示すように、コイル状
炭素繊維14とオシロスコープ16とよりなるマイクロ
センサ18をスライドグラス19上に設置し、そのマイ
クロセンサ18を地磁気や電波等の外部からの電磁波を
遮断するケース20内に設置した。次いで、300KH
z、1.0Vの電圧を印加した電磁コイル12の中心に
設置された磁極としての鉄心21の先端(磁極からの距
離0mm)の磁束密度B(mT)を市販のガウスメータ
ーで測定した。
【0038】続いて、前記ガウスメーターを使用して鉄
心21の先端から1mm毎に10mmまでの磁束密度B
を測定した。また、前記マイクロセンサ18のコイル状
炭素繊維14を鉄心21の先端に接近させ、鉄心21の
先端から1mm毎に10mmまでの誘導起電力Vを測定
した。その結果を表1に示す。
【0039】
【表1】 そして、ガウスメーターにより測定された磁束密度B
と、マイクロセンサ18により測定された誘導起電力V
とより、定数kを算出し、磁束密度Bと誘導起電力Vと
よりなる式(2)に示す一次式をたてた。続けて、鉄心
21の先端から10mmの位置から1mmづつ離れた位
置での誘導起電力Vを測定した。さらに、測定された誘
導起電力Vを前記一次式に代入して磁束密度Bを算出し
た。その結果を表2に示す。
【0040】
【表2】 従って、表2に示すように、マイクロセンサ18が磁束
密度Bが3×10―5mTという微少な変動磁場に配置
されても、誘導起電力Vを発生させて、その変動磁場を
検知することができることが示された。
【0041】
【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、次のような効果を奏する。請求項1に記載の発明の
マイクロセンサによれば、微少な変動磁場を精度が高く
検知することができる。
【0042】請求項2に記載の発明のマイクロセンサに
よれば、請求項1に記載の発明の効果に加えて、マイク
ロセンサを微少領域で応用することができる。請求項3
に記載の発明のマイクロセンサによれば、測定された誘
導起電力により磁束密度を算出することができる。
【0043】請求項4に記載の発明のマイクロセンサに
よれば、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発
明の効果に加えて、微少領域の変動磁場を検知すること
ができる。
【0044】請求項5に記載の方位センサによれば、方
位精度を正確にすることができる。請求項6に記載の微
生物の生命活動モニタによれば、微生物の生命の有無を
確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施形態のマイクロ車を示す模式図。
【図2】 実施形態の微生物の生命活動モニタを示す模
式図。
【図3】 マイクロセンサによる変動磁場の検知方法を
示す模式図。
【符号の説明】
11…マイクロマシンとしてのマイクロ車、13…微生
物の生命活動モニタ、14…コイル状炭素繊維、16…
測定器としてのオシロスコープ、17…微生物としての
単細胞微生物。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津田 孝雄 愛知県日進市香久山2丁目3102番地 (72)発明者 菱川 幸雄 岐阜県各務原市須衛町四丁目179番地の1 シーエムシー技術開発 株式会社内 Fターム(参考) 2G017 AA01 AB07 AC09 AD02 AD03 AD04 2G053 AA11 AA21 AB01 BA02 BA08 CA03 CA18 DA01 DA05 DB01 DB11 DB25 4B029 AA07 AA27 BB01 CC02 FA15 4B063 QA01 QA20 QQ05 QS39 QX01 QX05

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭素繊維によりコイル状に形成され、そ
    の炭素繊維の直径が1nm〜10μm、コイルの直径が
    2nm〜100μmのコイル状炭素繊維と、変動磁場に
    曝された前記コイル状炭素繊維の電磁誘導によって生じ
    る誘導起電力又は同誘導起電力により発生する誘導電流
    を測定可能な測定器とより構成され、前記誘導起電力又
    は誘導電流に基づいて前記変動磁場を検知可能としたマ
    イクロセンサ。
  2. 【請求項2】 1nm2〜104μm2の領域に形成され
    た変動磁場を検知可能とした請求項1に記載のマイクロ
    センサ。
  3. 【請求項3】 前記変動磁場の磁束密度は、予め測定さ
    れた磁束密度と、その磁束密度と比例関係にある誘導起
    電力とよりなる一次式に、前記測定器により測定された
    誘導起電力を代入して算出可能とした請求項1又は請求
    項2に記載のマイクロセンサ。
  4. 【請求項4】 磁束密度が10-5mT〜102Tの変動
    磁場を検知可能とした請求項1〜請求項3のいずれか一
    項に記載のマイクロセンサ。
  5. 【請求項5】 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記
    載のマイクロセンサを方位センサとして使用したマイク
    ロマシン。
  6. 【請求項6】 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記
    載のマイクロセンサを使用して、微生物の変動磁場の有
    無を検知し、その微生物の生命活動の有無を検知可能と
    した微生物の生命活動モニタ。
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