JP2015061310A - 音響センサ及び音響センサシステム - Google Patents

音響センサ及び音響センサシステム Download PDF

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Abstract

【課題】高感度の音響センサ及び音響センサシステムを提供する。
【解決手段】基体７０と、第１歪検知素子Ｓ１と、を含む音響センサ３００ａ。基体は、支持体７１と、支持体に支持された可撓性の第１膜部Ｆ１と、を含む。第１歪検知素子は、第１膜部の第１面Ｆ１ａ上に設けられる。第１歪検知素子は、第１磁性層と、第２磁性層と、第１磁性層と第２磁性層との間に設けられた第１中間層と、を含む。第１膜部に接する第１伝達材ＴＭ１により第１膜部が受けた音響波により、第１磁性層の磁化と第２磁性層の磁化との間の角度が可変である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、音響センサ及び音響センサシステムに関する。
例えば、超音波センサを用いた非破壊検査の手法として、例えば、音響放射（アコースティック・エミッション；以下、「ＡＥ」という）が用いられる。このような音響放射を用いた音響センサにおいて、感度の向上が望まれる。
特開平８−２２００７６号公報
本発明の実施形態は、高感度の音響センサ及び音響センサシステムを提供する。
本発明の実施形態によれば、基体と、第１歪検知素子と、を含む音響センサが提供される。前記基体は、支持体と、前記支持体に支持された可撓性の第１膜部と、を含む。前記第１歪検知素子は、前記第１膜部の第１面上に設けられる。前記第１歪検知素子は、第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１中間層と、を含む。前記第１膜部に接する第１伝達材により前記第１膜部が受けた音響波により、前記第１磁性層の磁化と前記第２磁性層の磁化との間の角度が可変である。
第１の実施形態に係る音響センサを示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る音響センサを示す模式的断面図である。 実施形態に係る音響センサを示す模式的斜視図である。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施形態に係る音響センサの動作を示す模式的斜視図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施形態に係る音響センサを示す模式的斜視図である。 図６(ａ）〜図６（ｄ）は、第２の実施形態に係る音響センサを示す模式図である。 第２の実施形態に係る音響センサの一部を示す模式的平面図である。 第３の実施形態に係る音響センサの一部を示す模式的平面図である。 音響センサの特性を示す模式図である。 図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、第４の実施形態に係る音響センサの一部を示す模式的平面図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第５の実施形態の係る音響センサを例示する模式図である。 第６の実施形態に係る音響センサを示す模式的断面である。 第６の実施形態に係る音響センサを示す模式図である。 第６の実施形態に係る音響センサを示す模式図である。 図１５（ａ）〜図１５（ｅ）は、第７の実施形態に係る音響センサを示す模式図である。 音響放射波を示す模式図である。 第８の実施形態に係る音響センサシステムを例示する模式図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る音響センサを例示する模式的断面図である。
図１に表したように、本実施形態に係る音響センサ３００ａは、基体７０と、センサ部７２と、を含む。センサ部７２は、例えば、基体７０の上に設けられる。センサ部７２は、歪検知素子５０（第１歪検知素子Ｓ１）を含む。基体７０は、支持体７１と、トランスデュース薄膜６４（第１膜部Ｆ１）と、を含む。トランスデュース薄膜６４は、膜面６４ａを有する。トランスデュース薄膜６４は、可撓性である。トランスデュース薄膜６４は、変形可能である。歪検知素子５０は、例えば、膜面６４ａに固定される。歪検知素子５０は、例えば、膜面６４ａの上に設けられる。
なお、本明細書において、「固定される」とは、歪検知素子と膜面とが直接固定されることだけに限らない。歪検知素子と膜面との間に別の要素が設けられ、間接的に固定される場合も含む。すなわち、「固定される」とは、歪検知素子と膜面との相対的な位置関係が固定されることを意味する。
トランスデュース薄膜６４は、外部から印加された圧力によって、変形する（例えば撓む）。トランスデュース薄膜６４は、歪みを歪検知素子５０にトランスデュースする。外部からの圧力は、音波または超音波などによる圧力も含む。
トランスデュース薄膜６４となる薄膜は、外部圧力によって変形する部分よりも外側に連続して形成されてもよい。本明細書においては、外部圧力によって、変形する部分がトランスデュース薄膜と呼ばれる。トランスデュース薄膜６４は、固定端（例えば、縁部６４ｅｇ）によって囲まれている。この例では、支持体７１は、固定端を含む。トランスデュース薄膜６４の厚さは、例えば、ある一定の厚さで、固定端よりも薄い。
歪検知素子５０は、例えば、トランスデュース薄膜６４の上面及び下面の少なくともいずれかに設けられる。歪検知素子５０は、第１磁性層１０と、第２磁性層２０と、第１中間層１５と、を含む。第１中間層１５は、第１磁性層１０と、第２磁性層２０と、の間に設けられる。
歪検知素子５０は、例えば、トランスデュース薄膜６４の歪み量が大きい位置に設けられる。すなわち、歪検知素子５０は、例えば、トランスデュース薄膜６４の中央部及び辺縁部の少なくともにいずれか設けられる。
本実施形態に係る音響センサ３００ａは、スピン素子を用いた音響センサである。例えば、複数の歪検知素子５０が、設けられても良い。複数の歪検知素子５０を用いることで、感度が向上する。
例えば、実施形態において、第２歪検知素子がさらに設けられても良い。第２歪検知素子は、第１面Ｆ１ａ上に設けられる。第２歪検知素子は、第３磁性層と、第４磁性層と、第３磁性層と第４磁性層との間に設けられた第２中間層とを含む（図６（ｂ）参照）。例えば、実施形態において、複数の歪検知素子が設けられても良い。歪検知素子の数は、２以上でも良い。
基体７０は、空洞部７０ｈを含む。基体７０は、非空洞部７０ｅを含む。非空洞部７０ｅは、空洞部７０ｈと並置される。
空洞部７０ｈは、非空洞部７０ｅを形成する材料が設けられていない部分である。空洞部７０ｈには、例えば、伝達材（第１伝達材ＴＭ１）が充填可能である。伝達材は、液体及び固体の少なくともいずれかを含む。音響センサは、例えば、０℃〜８０℃で用いられる。伝達材は、例えば、室温（例えば、２５℃）で液体でも良い。伝達材は、例えば、室温で固体でも良い。伝達材は、例えば、室温でゲル状でも良い。
本実施形態に係る音響センサ（音響センサ３００ａ）は、基体７０と、第１歪検知素子Ｓ１（歪検知素子５０）と、を含む。基体７０は、支持体７１と、第１膜部Ｆ１（トランスデュース薄膜６４）と、を含む。第１膜部Ｆ１は、支持体７１に支持されている。第１膜部Ｆ１は、変形可能である。基体７０は、例えば、支持体７１と第１膜部Ｆ１とで区画される空間（空洞部７０ｈ）に第１伝達材ＴＭ１を収容できる。第１歪検知素子Ｓ１は、第１膜部Ｆ１の面（第１面Ｆ１ａ）上に設けられる。第１歪検知素子Ｓ１は、第１磁性層１０と、第２磁性層２０と、第１中間層１５と、を含む。第１中間層１５は、第１磁性層１０と、第２磁性層２０と、の間に設けられる。
第１膜部Ｆ１に接する第１伝達材ＴＭ１により、第１膜部Ｆ１は、音響波を受ける。後述するように、第１膜部Ｆ１が受けた音響波により、第１磁性層１０の磁化と、第２磁性層２０の磁化との間の角度が可変である。
音響センサ３００ａは、例えば、被測定物８１０に対向して設置される。音響センサ３００ａと、被測定物８１０と、の間に、第１伝達材ＴＭ１が配置される。第１伝達材ＴＭ１の音響インピーダンスは、被測定物８１０の音響インピーダンスよりも低い。
空洞部７０ｈ内には、例えば、液体が充填される。充填された液体の音響インピーダンスは、例えば、被測定物８１０の音響インピーダンスよりも低い（小さい）。例えば、変形可能な物質が、空洞部７０ｈ内に含まれてもよい。これにより、トランスデュース薄膜６４は、変形することができる。この変形可能な物質の音響インピーダンスは、例えば、被測定物８１０の音響インピーダンスよりも低い。
音響センサ３００ａは、基体７０と、第１歪検知素子Ｓ１と、第１伝達材ＴＭ１と、を含む。第１伝達材ＴＭ１は、第１膜部Ｆ１と接している。第１伝達材ＴＭ１は、被測定物８１０と、第１膜部Ｆ１と、の間に設けられる。第１伝達材ＴＭ１は、音響波を第１膜部Ｆ１に伝える。音響センサ３００ａは、例えば、超音波センサである。
被測定物８１０は、例えば、金属、合金、岩盤、コンクリート、木または植物などである。例えば、２５℃において、鉄の音響インピーダンスは、４６ＭＲａｙｌである。銅の音響インピーダンスは、４４ＭＲａｙｌである。アルミニウムの音響インピーダンスは、１７ＭＲａｙｌである。コンクリートの音響インピーダンスは、８ＭＲａｙｌである。木（樫）の音響インピーダンスは、３ＭＲａｙｌである。
空洞部７０ｈに充填される媒質は、例えば、アルコール（グリセリン）、油、水、水銀、ゴム、または、ロウなどである。これらの音響インピーダンスは、被測定物８１０の音響インピーダンスよりも、低い。
例えば、音響カプラ７３と、空洞部７０ｈに充填される媒質と、が音響整合層となる。音響整合層として、例えば、グリセリン、水、水銀、ゴム（例えば、スチレン−ブタジエン−ゴム）またはシリコーンが用いられる。例えば、２５℃において、グリセリンの音響インピーダンスは２．４ＭＲａｙｌである。水の音響インピーダンスは、１．５ＭＲａｙｌである。水銀の音響インピーダンスは、１９．８ＭＲａｙｌである。ゴム（例えば、スチレン−ブタジエン−ゴム）の音響インピーダンスは、１．７ＭＲａｙｌである。シリコーンの音響インピーダンスは、１９．６ＭＲａｙｌである。
例えば、空気の音響インピーダンスは４１０Ｒａｙｌである。空気の音響インピーダンスは、空洞部７０ｈに充填される媒質などの音響インピーダンスの１／１００００程度（例えば、１／５００００以上１／１０００以下）である。被測定物８１０とトランスデュース薄膜６４との間に気体が存在すると、弾性波は境界面において反射する場合がある。この場合、音響センサを用いた、弾性波の検出が困難になる場合がある。
この例では、基体７０は、基体支持体９５によって、筐体９０に固定される。
筐体９０と基体７０との間に、音響カプラ７３が充填される。音響カプラ７３の音響インピーダンスは、例えば、被測定物８１０の音響インピーダンスよりも低い。音響カプラ７３に用いられる物質は、空洞部７０ｈ内に充填された物質と同じでなくても良い。すなわち、音響整合層は、多層構造でも良い。
例えば、音響カプラ７３の材料と、空洞部７０ｈに充填する媒体の材料と、が、互いに異なる場合、音響整合層は、多層構造である。多層構造の音響カプラ７３を用いる場合も、音響整合層は、多層構造である。多層構造の音響整合層を用いる場合には、例えば、各層の音響インピーダンスを、被測定物８１０からトランスデュース薄膜６４に向かって、徐々に低いようにすることが望ましい。これにより、弾性波の伝搬経路におけるエネルギー損失が抑えられる。
例えば、充填材（第１伝達材ＴＭ１）は、第１層Ｍ０１と、第１層Ｍ０１と第１膜部Ｆ１との間に設けられた第２層Ｍ０２と、を含む。第２層Ｍ０２の音響インピーダンスは、第１層Ｍ０１の音響インピーダンスよりも低いことが望ましい。例えば、第２層Ｍ０２の音響インピーダンスは、第１層Ｍ０１の音響インピーダンスよりも高くても良い。
トランスデュース薄膜６４に外部から圧力（音または超音波等を含む）が印加されたときに、トランスデュース薄膜６４が変形する。これに伴い、トランスデュース薄膜６４の上に設けられた歪センサ（センサ部７２）に、歪が発生する。このように、トランスデュース薄膜６４は、圧力の信号をセンサ部７２に伝達（トランスデュース）する。センサ部７２において、圧力の信号は、歪の信号に変換される。
歪センサ（センサ部７２）は、トランスデュース薄膜６４の上面及び下面の少なくともいずれかに設けられる。
この例では、トランスデュース薄膜６４は、空洞部７０ｈの上方に設けられる。
膜面６４ａに対して平行な面をＸ−Ｙ平面とする。膜面６４ａが平面でない場合は、膜面６４ａの縁部６４ｅｇを含む平面をＸ−Ｙ平面とする。Ｘ−Ｙ平面に対して垂直な方向をＺ軸方向とする。
音響センサ３００ａは、外部雑音の影響を受けやすい。この例では、上記基体７０及びセンサ部７２などの各種構成要素は、筐体９０によって囲われる。
筐体９０には、例えば、アルミニウム、または、ステンレス等が用いられる。これにより、例えば、筐体９０は、磁気シールドとして機能する。
例えば、音響センサは、被測定物８１０に固定される。筐体９０は、固定部９６（固定材）により、被測定物８１０に固定される。
固定部９６には、例えば、エポキシ系接着剤やロウ等が用いられる。被測定物８１０と、音響カプラ７３と、の間に気体が介在しないように、音響センサ３００ａは、被測定物８１０に密着される。
例えば、音響センサ３００ａにおいて、筐体９０が設けられる。筐体９０の中に、基体７０と、第１歪検知素子Ｓ１、第１伝達材ＴＭ１と、が格納される。
図２は、第１の実施形態に係る音響センサを例示する模式的断面図である。
図２に表したように、音響センサ３００ｂの底面に、筐体９０と一体型の底板９１が設けられてもよい。底板９１と第１膜部Ｆ１との間に、第１伝達材が配置される。この例では、底板９１と被測定物８１０の間に、音響カプラ材９７が設けられる。音響センサ３００ｂは、被測定物８１０に密着される。
音響カプラ材９７には、例えば、エポキシ系接着剤、ロウ、グリス、またはシリコーン化合物等が用いられる。被測定物８１０と、音響カプラ材９７と、の間に気体が介在しないように、音響センサ３００ｂを被測定物８１０に密着させる。
被測定物８１０が金属等の場合、固定部９６には、例えば、マグネット等を用いてもよい。
トランスデュース薄膜６４は、例えば、絶縁層を含む。トランスデュース薄膜６４は、例えば、金属材料を含む。トランスデュース薄膜６４は、例えば、酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを含む。トランスデュース薄膜６４の厚さは、例えば、２００ｎｍ以上、３μｍ以下である。好ましくは、３００ｎｍ以上、１．５μｍ以下である。トランスデュース薄膜６４の直径は、例えば、１μｍ以上３ｍｍ以下である。好ましくは、６０μｍ以上、１ｍｍ以下である。トランスデュース薄膜６４は、例えば、膜面６４ａに対して垂直なＺ軸方向に可撓である。
歪検知素子５０の一端は、第１配線５７に接続されている。歪検知素子５０の他端は、第２配線５８に接続されている。例えば、第１配線５７及び第２配線５８は、歪検知素子５０から基体７０に向けて、延在する。
例えば、音響整合層が多層構造を含む場合、まず、基体７０の空洞部７０ｈに液体（１段目）が充填される。その後、筐体９０内の基体７０の下側に、平らに別の液体（２段目）が封入される。次に、被測定物８１０と音響センサとの接触面に、例えば、グリスまたは接着剤が塗布される。
例えば、筐体９０に磁気シールドパッケージが用いられる。メタルシールド膜をチップ上部に形成し、筐体９０が板金シールドとなる。例えば、メタルシールド膜が、チップ上部に形成される。
図３は、実施形態に係る音響センサの一部を例示する模式的斜視図である。
図３に表したように、歪抵抗変化部５０ｓ（歪検知素子５０）は、例えば、第１磁性層１０と、第２磁性層２０と、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間に設けられた第１中間層１５と、を含む。第１中間層１５は、非磁性層である。
この例では、第１磁性層１０は、磁化自由層である。第２磁性層２０は、例えば、磁化固定層または磁化自由層である。
第２磁性層２０から第１磁性層１０に向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向とＺ軸方向とに対して、垂直な方向をＹ軸方向とする。
以下では、歪検知素子５０の動作の例について、第２磁性層２０が磁化固定層であり、第１磁性層１０が磁化自由層である場合について説明する。歪検知素子５０においては、強磁性体が有する「逆磁歪効果」と、歪抵抗変化部５０ｓで発現する「ＭＲ効果」と、が利用される。
「ＭＲ効果」は、磁性体を有する積層膜において、外部磁界の印加による磁性体の磁化の変化によって、積層膜の電気抵抗の値が変化する現象である。ＭＲ効果は、例えば、ＧＭＲ（Giant magnetoresistance）効果、または、ＴＭＲ(Tunneling magnetoresistance)効果などを含む。歪抵抗変化部５０ｓに電流を流し、磁化方向の相対角度の変化を電気抵抗変化として読み取ることで、ＭＲ効果は発現する。例えば、歪検知素子５０に加わる応力に基づいて、歪抵抗変化部５０ｓに引っ張り応力が加わる。第１磁性層１０（磁化自由層）の磁化の向きと、第２磁性層２０に加わる引っ張り応力の方向と、が異なるときに、逆磁歪効果によりＭＲ効果は発現する。低抵抗状態の抵抗をＲとし、ＭＲ効果によって変化する電気抵抗の変化量をΔＲとする。ΔＲ／Ｒは、「ＭＲ変化率」といわれる。
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施形態に係る音響センサの動作を例示する模式的斜視図である。
これらの図は、歪検知素子５０における磁化方向と、引っ張り応力の方向と、の関係を例示している。
図４（ａ）は、引っ張り応力が印加されていない状態を示す。この例では、第２磁性層２０（磁化固定層）の磁化の向きは、第１磁性層１０（磁化自由層）の磁化の向きと、同じである。
図４（ｂ）は、引っ張り応力が印加された状態を示す。この例では、Ｘ軸方向に沿って引っ張り応力が印加されている。トランスデュース薄膜６４の変形により、例えば、Ｘ軸方向に沿った引っ張り応力が歪検知素子５０に印加される。この例では、引っ張り応力は、第２磁性層２０（磁化固定層）の磁化の向き及び第１磁性層１０（磁化自由層）の磁化の向き（この例では、Ｙ軸方向）に対して直交方向に印加される。このとき、引っ張り応力の方向と同じ方向になるように、第１磁性層１０（磁化自由層）の磁化が回転する。これを「逆磁歪効果」という。第２磁性層２０（磁化固定層）の磁化は固定されている。よって、第１磁性層１０（磁化自由層）の磁化が回転することで、第２磁性層２０（磁化固定層）の磁化の向きと、第１磁性層１０（磁化自由層）の磁化の向きと、の相対角度が変化する。
図４（ｂ）に例示した第２磁性層２０（磁化固定層）の磁化方向は、一例である。磁化方向は、この図に示した方向でなくても良い。
強磁性体の磁歪定数の符号によって、逆磁歪効果における磁化の容易軸が変化する。
大きな逆磁歪効果を示す多くの材料は、正の磁歪定数を持つ。磁歪定数の符号が正である場合には、上述のように、磁化容易軸の方向は、引っ張り応力の方向である。このときには、上記のように、第１磁性層１０（磁化自由層）の磁化は、磁化容易軸の方向に回転する。
例えば、第１磁性層１０（磁化自由層）の磁歪定数が正である場合に、第１磁性層１０（磁化自由層）の磁化方向は、引っ張り応力の方向とは異なる方向に設定される。一方、磁歪定数が負である場合には、引っ張り応力の方向に垂直な方向が、磁化容易軸の方向となる。
図４（ｃ）は、第１磁性層１０の磁歪定数が負である状態を示している。この場合には、第１磁性層１０（磁化自由層）の磁化方向は、引っ張り応力の方向（この例ではＸ軸方向）に対して、垂直な方向とは異なる方向に設定する。
この例では、第１磁性層１０の磁化方向は、第２磁性層２０（磁化固定層）の磁化方向として、図示されている。磁化方向は、この図に示した方向でなくても良い。
第１磁性層１０の磁化方向と、第２磁性層２０の磁化方向と、の間の角度に応じて、歪検知素子５０（歪抵抗変化部５０ｓ）の電気抵抗が、例えば、ＭＲ効果によって、変化する。
磁歪定数（λｓ）は、外部磁界により強磁性層がある方向に飽和したときの、形状変化の大きさを示す。例えば、外部磁界がない状態で、磁性層の長さがＬであるとする。外部磁界が印加されたときに、磁性層の長さがΔＬ変化したとする。このとき、磁歪定数λｓは、ΔＬ／Ｌと表される。この変化量は、磁界の大きさによって変わる。磁歪定数λｓは、十分な磁界により、磁性層の磁化が飽和した状態のΔＬ／Ｌである。
例えば、第２磁性層２０が磁化固定層である場合、第２磁性層２０には、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれかを含む合金材料が用いられる。また、第２磁性層２０には、上記の材料に添加元素を加えた材料などが用いられる。第２磁性層２０には、例えば、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金またはＮｉＦｅ合金等が用いられる。第２磁性層２０の厚さは、例えば、２ナノメートル（ｎｍ）以上６ナノメートル（ｎｍ）以下である。
第１中間層１５には、例えば、金属または絶縁体が用いられる。第１中間層１５には、例えば、Ｃｕ、Ａｕ及びＡｇの少なくともいずれかを含む金属等が用いられる。第１中間層１５として金属が用いられた場合、第１中間層１５の厚さは、例えば、１ｎｍ以上７ｎｍ以下である。第１中間層１５には、例えば、Ｍｇ，Ａｌ，Ｔｉ及びＺｎの少なくともいずれかと、酸素と、を含む絶縁体が用いられる。例えば、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ等）、アルミ酸化物（Ａｌ２Ｏ３等）、チタン酸化物（ＴｉＯ等）、または、亜鉛酸化物（ＺｎＯ等）が、第１中間層１５として、用いられる。第１中間層１５として絶縁体が用いられた場合、第１中間層１５の厚さは、例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下である。
第１磁性層１０が磁化自由層である場合、第１磁性層１０には、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれかを含む合金材料が用いられる。例えば、上記の材料に、添加元素を加えた材料が用いられる。
第１磁性層１０には、磁歪が大きい材料が用いられる。具体的には、磁歪の絶対値が、１０−５よりも大きい材料が用いられる。これにより、歪に対して、磁化が敏感に変化する。第１磁性層１０には、正の磁歪を有する材料を用いても良く、負の磁歪を有する材料を用いても良い。
第１磁性層１０には、例えば、ＦｅＣｏ合金、または、ＮｉＦｅ合金等を用いることができる。第１磁性層１０には、例えば、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金を用いることができる。第１磁性層１０には、Ｔｂ−Ｍ−Ｆｅ合金、Ｔｂ−Ｍ１−Ｆｅ−Ｍ２合金、または、Ｆｅ−Ｍ３−Ｍ４−Ｂ合金などを用いることができる。Ｍは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、ＨｏまたはＥｒを示す。Ｍ１は、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、ＨｏまたはＥｒを示す。Ｍ２は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷまたはＴａを示すＭ３は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷまたはＴａを示す。Ｍ４は、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、ＤｙまたはＥｒを示す。フェライトは、Ｆｅ３Ｏ４または（ＦｅＣｏ）３Ｏ４などである。Ｔｂ−Ｍ−Ｆｅ合金、Ｔｂ−Ｍ１−Ｆｅ−Ｍ２合金、または、Ｆｅ−Ｍ３−Ｍ４−Ｂ合金などにおいては、例えば、λｓは、１００ｐｐｍよりも大きい。第１磁性層１０には、例えば、Ｎｉ、Ａｌ−Ｆｅ、または、フェライト等を用いることができる。
第１磁性層１０の厚さは、例えば、２ｎｍ以上である。
第１磁性層１０は、例えば、２層構造を含む。例えば、第１磁性層１０には、ＦｅＣｏ合金層を含む積層構造が用いられる。ＦｅＣｏ合金の層と積層される層には、例えば、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金が用いられる。ＦｅＣｏ合金の層と積層される層には、例えば、Ｔｂ−Ｍ−Ｆｅ合金、Ｔｂ−Ｍ１−Ｆｅ−Ｍ２合金、または、Ｆｅ−Ｍ３−Ｍ４−Ｂ合金が用いられる。Ｍは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、ＨｏまたはＥｒを示す。Ｍ１は、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、ＨｏまたはＥｒを示す。Ｍ２は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷまたはＴａを示す。Ｍ３は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷまたはＴａを示す。Ｍ４は、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、ＤｙまたはＥｒを示す。フェライトは、Ｆｅ３Ｏ４または（ＦｅＣｏ）３Ｏ４などである。Ｔｂ−Ｍ−Ｆｅ合金、Ｔｂ−Ｍ１−Ｆｅ−Ｍ２合金、または、Ｆｅ−Ｍ３−Ｍ４−Ｂ合金においては、λｓは１００ｐｐｍよりも大きい。ＦｅＣｏ合金の層と積層される層には、例えば、Ｎｉ、Ａｌ−Ｆｅ及びフェライトの少なくともいずれかを含む層が用いられる。
例えば、第１中間層１５が金属の場合は、ＧＭＲ効果が発現する。第１中間層１５が絶縁体の場合は、ＴＭＲ効果が発現する。例えば、歪検知素子５０においては、歪抵抗変化部５０ｓの積層方向に沿って電流を流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ効果が用いられる。
第１中間層１５として、ＣＣＰ（Current-Confined-Path）スペーサー層を用いることができる。ＣＰＰスペーサー層は、例えば、膜厚方向に貫通数する複数の金属電流パスを、絶縁層の一部に含む。金属電流パスの幅は、例えば、１ｎｍ以上（例えば径が５ｎｍ程度）である。この場合も、ＣＣＰ−ＧＭＲ効果が用いられる。
このように、本実施形態においては、歪検知素子５０における逆磁歪現象が用いられる。これにより、高感度の検知が可能になる。逆磁歪効果を用いる場合、例えば、外部から加えられる歪に対して、第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかの磁性層の磁化方向が変化する。外部から加えられる歪（有無及びその程度など）によって、２つの磁性層の磁化の相対的な角度が変わる。外部から加えられる歪によって電気抵抗が変わるため、歪検知素子５０は、圧力センサとして機能する。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施形態に係る音響センサを例示する模式的斜視図である。
図５（ａ）に表したように、歪検知素子５０は、例えば、第１電極５１と、第２電極５２と、を含む。第１電極５１と、第２電極５２と、の間に歪抵抗変化部５０ｓが設けられる。この例では、歪抵抗変化部５０ｓにおいて、第１電極５１の側から第２電極５２に向けて、バッファ層４１、反強磁性層４２、磁性層４３、Ｒｕ層４４、第２磁性層２０、第１中間層１５、第１磁性層１０及びキャップ層４５が、設けられる。バッファ層４１の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。バッファ層４１は、例えば、ＴａまたはＴｉを含むアモルファス層である。バッファ層４１は、シード層を兼ねる場合もある。バッファ層４１には、例えば、ＲｕまたはＮｉＦｅなどの層が用いられる。ＲｕまたはＮｉＦｅなどの層は、結晶配向促進のためのシード層となる。バッファ層４１として、これらの積層膜が用いられても良い。
反強磁性層４２の厚さは、例えば、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。磁性層４３の厚さは、例えば、２ｎｍ以上６ｎｍ以下である。第２磁性層２０の厚さは、例えば、２ｎｍ以上５ｎｍ以下である。第１中間層１５の厚さは、例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下である。第１磁性層の厚さは、例えば２ｎｍ以上５ｎｍ以下である。キャップ層４５の厚さは、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
第２磁性層２０には、例えば、磁性積層膜が用いられる。第１磁性層１０は、ＭＲ変化率を大きくするための磁性積層膜１０ａと、磁性積層膜１０ａとキャップ層４５との間に設けられた高磁歪磁性膜１０ｂと、を含む。磁性積層膜１０ａの厚さは、例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下である。磁性積層膜１０ａは、例えば、ＣｏＦｅを含む。高磁歪磁性層の厚さは、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
第１電極５１は、例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔａ及びＡｌの少なくともいずれかを含む。これらは、非磁性である。第２電極５２は、例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔａ及びＡｌの少なくともいずれかを含む。第１電極５１及び第２電極５２として、軟磁性体の材料を用いることで、歪抵抗変化部５０ｓに影響を及ぼす外部からの磁気ノイズが低減される。軟磁性体の材料としては、例えば、パーマロイ（ＮｉＦｅ合金）や珪素鋼（ＦｅＳｉ合金）が用いられる。歪検知素子５０は、例えば、アルミ酸化物（例えばＡｌ２Ｏ３）やシリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）等の絶縁体で覆われる。これにより、周囲へのリーク電流が抑制さる。
第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかの磁性層の磁化方向は、応力に応じて変化する。少なくともいずれかの磁性層（応力に応じて磁化方向が変化する磁性層）の磁歪定数の絶対値は、例えば、１０−５以上に設定される。これにより、外部から加えられる歪みに応じて、逆磁歪効果によって磁化方向が変化する。例えば、第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかには、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれかを含む合金などが用いられる。用いる元素や添加元素などによって、磁歪定数は、大きく設定される。磁歪定数の絶対値は、大きいことが好ましい。現実的なデバイスとして使用できる材料の磁歪定数の絶対値は、例えば、１０−２程度以下である。
例えば、第１中間層１５としてＭｇＯのような酸化物が用いられる。ＭｇＯ層上の磁性層の磁歪定数は、例えば、プラスである。例えば、第１中間層１５の上に第１磁性層１０が形成される場合、第１磁性層１０として、ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅの積層構成の磁化自由層が用いられる。最上層のＮｉＦｅ層をＮｉリッチにすると、ＮｉＦｅ層の磁歪定数は負で、その絶対値が大きくなる。例えば、最上層のＮｉＦｅ層のＮｉ組成は、Ｎｉ８１Ｆｅ１９のパーマロイ組成と比較して、Ｎｉリッチではない。これにより、例えば、酸化物層上のプラスの磁歪が打ち消されることが抑制される。最上層のＮｉＦｅ層におけるＮｉの比率は、８０原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ％）未満とすることが好ましい。第１磁性層１０を磁化自由層とする場合には、第１磁性層１０の厚さは、例えば、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。
第１磁性層１０が磁化自由層である場合において、第２磁性層２０は、磁化固定層でも磁化自由層でも良い。第２磁性層２０が磁化固定層である場合、外部から歪が加えられても、第２磁性層２０の磁化方向は、実質的に変化しない。そして、第１磁性層１０と、第２磁性層２０と、の間での、相対的な磁化の角度によって電気抵抗が変化する。電気抵抗の変化によって、歪が検知される。
第１磁性層１０と第２磁性層２０との両方が磁化自由層である場合には、例えば、第１磁性層１０の磁歪定数は、第２磁性層２０の磁歪定数と、異なるように設定される。
第２磁性層２０が磁化固定層である場合も、第２磁性層２０が磁化自由層である場合も、第２磁性層２０の厚さは、例えば１ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。
例えば、第２磁性層２０が磁化固定層である場合、第２磁性層２０には、反磁性層／磁性層／Ｒｕ層／磁性層の積層構造を含むシンセティックＡＦ構造などを用いることができる。反磁性層には、例えば、ＩｒＭｎなどが用いられる。また、後述するように、ハードバイアス層を設けても良い。
歪検知素子５０では、磁性層のスピンが用いられる。歪検知素子５０の面積は、例えば、極めて小さいサイズである。例えば、歪検知素子５０の形状が正方形とすると、歪検知素子５０のサイズは、一辺の長さが１０ｎｍ以上であり、例えば２０ｎｍ以上である。
歪検知素子５０の面積は、例えば、圧力によって変形するトランスデュース薄膜６４の面積よりも十分に小さい。ここで、トランスデュース薄膜とは、前述したように固定端によって囲まれた部分である。トランスデュース薄膜は、外部圧力によって変形するように設計される。トランスデュース薄膜の厚さは、ある一定の厚さで、固定端よりも薄い。例えば、歪検知素子５０の面積は、トランスデュース薄膜６４の基板面内の面積の１／５以下である。トランスデュース薄膜６４の直径は、例えば、６０μｍ以上、６００μｍ以下程度である。トランスデュース薄膜６４の直径が６０μｍ程度と小さい場合には、歪検知素子５０の一辺の長さは、例えば、１２μｍ以下である。トランスデュース薄膜の直径が６００μｍのときには、歪検知素子５０の一辺の長さは、１２０μｍ以下である。この値が、例えば、歪検知素子５０のサイズの上限となる。
この上限の値と比べると、上記の、一辺の長さが１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下というサイズは、極端に小さい。歪検知素子５０のサイズは、例えば、過度に小さくしなくともよい。例えば、これにより、素子の加工精度が確保される。そのため、歪検知素子５０の一辺のサイズは、例えば、０．５μｍ以上２０μｍ以下程度とする。極端に素子サイズが小さくなると、歪検知素子５０に生じる反磁界の大きさが大きくなるため、歪検知素子５０のバイアス制御が困難になる場合がある。素子サイズが大きくなると、工学的観点で素子を扱いやすくなる。その観点で、上述のように、０．５μｍ以上２０μｍ以下が、好ましいサイズである。
例えば、歪検知素子５０のＸ軸方向に沿った長さは、２０ｎｍ以上１０μｍ以下である。歪検知素子５０のＸ軸方向に沿った長さは、２００ｎｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。
例えば、歪検知素子５０のＹ軸方向に沿った長さは、２０ｎｍ以上１０μｍ以下である。歪検知素子５０のＹ軸方向に沿った長さは、２００ｎｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。
例えば、歪検知素子５０のＺ軸方向（Ｘ−Ｙ平面に対して垂直な方向）に沿った長さは、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
歪検知素子５０のＸ軸方向に沿った長さは、歪検知素子５０のＹ軸方向に沿った長さと同じでも良く、異なっても良い。例えば、歪検知素子５０のＸ軸方向に沿った長さと、歪検知素子５０のＹ軸方向に沿った長さと、が異なるときに、形状磁気異方性が生じる。これにより、第１磁性層１０の磁化方向を、適正な位置にバイアスすることが可能になり、第１磁性層１０を単一磁区化することが可能となる。
歪検知素子５０に流される電流の向きは、第１磁性層１０から第２磁性層２０に向かう方向でも良く、第２磁性層２０から第１磁性層１０に向かう方向でも良い。
図５（ｂ）に表したように、歪検知素子５０は、例えば、バイアス層５５ａ及び５５ｂ（ハードバイアス層）を含む。バイアス層５５ａ及び５５ｂは、例えば、歪抵抗変化部５０ｓに対向して設けられる。
この例では、第２磁性層２０が磁化固定層である。バイアス層５５ａは、第２磁性層２０に並置される。バイアス層５５ｂは、第２磁性層２０に並置される。歪検知素子５０は、バイアス層５５ａと５５ｂと、の間に、歪抵抗変化部５０ｓを含む。バイアス層５５ａと歪抵抗変化部５０ｓとの間に絶縁層５４ａが設けられる。バイアス層５５ｂと歪抵抗変化部５０ｓとの間に絶縁層５４ｂが設けられる。
バイアス層５５ａ及び５５ｂは、例えば、第１磁性層１０にバイアス磁界を印加する。これにより、第１磁性層１０の磁化方向を、適正な位置にバイアスすることが可能になり、第１磁性層１０を単一磁区化することが可能となる。
バイアス層５５ａ及び５５ｂのそれぞれの大きさ（この例ではＹ軸方向に沿った長さ）は、例えば、１００ｎｍ以上１０μｍ以下である。
絶縁層５４ａ及び５４ｂのそれぞれの大きさ（この例ではＹ軸方向に沿った長さ）は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
本実施形態によれば、高感度の音響センサが提供できる。例えば、リアルタイムで、高感度で対象を監視できる音響センサが提供できる。
本実施形態に係る音響センサは、例えば、被測定物内部の損傷を検出するセンサとして利用できる。本実施形態に係る音響センサは、被測定物の異常検知システムに利用できる。本実施形態に係る音響センサにおいては、磁性が利用される。これにより、高感度で対象を監視できる。
本実施形態に係る音響センサは、例えば、非破壊検査に用いられる。非破壊検査では、機械部品や構造物の内部において発生したクラック等の損傷を、対象を破壊することなく検出する。音響センサは、非破壊検査において幅広く用いられる。
音響センサを用いた非破壊検査の手法は、超音波探傷法と音響放射法とに大別される。超音波探傷法においては、音響センサから超音波を送受信する。音響放射法においては、被測定物の損傷によって発生する音響放射を受信する。音響放射は、例えば、被測定物の内部に蓄えられていた歪エネルギーの放出に基づく現象である。音響放射は、材料の変形または亀裂の発生により生じる。歪エネルギーは、弾性波として放出される。
超音波探傷法においては、定期検査時または異常時に設置されたセンサによって、被測定物の調査が行われる。超音波探傷法においては、検査実施後において、安全性能を維持しているかどうか判断が困難である。超音波探傷法においては、検査と検査との間に異常が生じても、次回の検査までに異常が生じたことが明らかにならない。超音波探傷法による検査を短い周期で行うとコストが上昇する。そして、検査中には、被測定物の使用に制約が生じる。超音波探傷法は、破壊試験を伴う場合がある。
本実施形態の音響センサは、例えば、常時、被測定物８１０に取り付けられる。例えば、音響放射を用いて被測定物８１０を測定する。これにより、リアルタイムで、被測定物８１０内部で発生した損傷が高感度で検出される。
例えば、参考例の音響放射センサでは、センサ部にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料が用いられている。音響放射センサにおいては、共振点付近が積極的に利用される。これにより、例えば、微小な信号を検出することができる。
音響放射波の周波数は、被測定物の材料によって異なる。金属の場合、音響放射波の周波数は、約１００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下程度である。岩盤の場合、音響放射波の周波数は、例えば、１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下程度である。
ＰＺＴに代表される圧電材料は、分極方向に電界をかけるとその方向に伸び縮みする縦圧電効果を有するが、それだけでなく、電界方向に伸びるときにそれに直交する方向に縮み、電界方向に縮むときはそれに直交する方向に伸びる横圧電効果を有する。参考例の音響放射センサでは、主に縦圧電効果を利用している。この場合、共振周波数は、主に圧電材の厚さによって決定され、共振周波数は圧電材の厚さに反比例する。例えば１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ未満のような比較的共振周波数が低い圧電材においては、圧電材の厚さは厚くなる。小型で高感度な寸法形状にするには、厚さ（高さ）と幅（径）の比が１に近くなる。この場合、厚さ方向の歪に幅方向の歪が結合した複合変形を生じる。すなわち、純粋な振動モードではなくなる。
一方、磁性を用いないＭＥＭＳ（微小電気機械システム）技術を用いた参考例のセンサにおいては、超音波領域では感度が低い。このため、磁性を用いないＭＥＭＳセンサは、音波領域で用いられることが多い。
これに対して、本実施形態に係る音響センサにおいては、磁性が用いられる。本実施形態によれば、磁性を用いない参考例のＭＥＭＳセンサに比べ、高周波数側においても、高い感度が得られる。これにより、高感度の音響センサが提供できる。例えば、センサ部７２における共振周波数は、１００ｋＨｚ以上である。例えば、センサ部７２における共振周波数は、２００ｋＨｚ以上でも良い。例えば、センサ部７２における共振周波数は、例えば、２ＭＨｚ以下である。
（第２の実施形態）
図６(ａ）〜図６（ｄ）は、第２の実施形態に係る音響センサを例示する模式図である。
図６（ａ）は、音響センサの模式的断面図である。図６（ｂ）は、音響センサの一部の模式的斜視図である。
図６（ａ）に例示した音響センサ３００ｃにおいては、複数のセンサ部７２が設けられる。複数のトランスデュース薄膜の大きさ、及び、複数の歪検知素子の大きさは、同じでも異なっていても良い。
音響センサ３００ｃは、第１歪検知素子Ｓ１、第１膜部Ｆ１及び第１伝達材ＴＭ１に加え、第２歪検知素子Ｓ２と、第２伝達材ＴＭ２と、をさらに含む。基体７０は、第２膜部Ｆ２をさらに含む。第２膜部Ｆ２は、支持体７１に支持される。第２歪検知素子Ｓ２は、第２膜部Ｆ２の面（第２面Ｆ２ａ）上に設けられる。
第２伝達材ＴＭ２は、第２膜部Ｆ２に接する。第２伝達材ＴＭ２は、音響波を第２膜部Ｆ２に伝える。例えば、第２伝達材ＴＭ２は、支持体７１と第２膜部Ｆ２とで区画される空間に充填される。
図６（ｂ）は、第２歪検知素子Ｓ２を示している。第２歪検知素子Ｓ２は、第３磁性層３０と、第４磁性層４０と、第２中間層３５と、を含む。第２中間層３５は、第３磁性層３０と、第４磁性層４０と、の間に設けられる。第２歪検知素子Ｓ２に含まれる各層の構成及び材料などには、例えば、第１歪検知素子Ｓ１に関して説明した構成及び材料が適用できる。
図６（ｃ）は、音響センサの模式的断面図である。図６（ｄ）は、音響センサの一部の模式的斜視図である。
例えば、実施形態において、第３歪検知素子Ｓ３がさらに設けられても良い。第３歪検知素子は、例えば第１面Ｆ１ａ上に設けられる。第３歪検知素子Ｓ３は、第５磁性層３０ｂと、第６磁性層４０ｂと、第５磁性層３０ｂと第６磁性層４０ｂとの間に設けられた第３中間層３５ｂとを含む。
図６（ｄ）は、第３歪検知素子Ｓ３を示している。第３歪検知素子Ｓ３に含まれる各層の構成及び材料などには、例えば、第１歪検知素子Ｓ１に関して説明した構成及び材料が適用できる。
図７は、第２の実施形態に係る音響センサの一部を例示する模式的平面図である。
図７に表したように、基体７０上に、複数のセンサ部７２が、例えば一体的に形成されている。半導体技術を用いることで、複数のセンサ部７２が一体形成された複合基体を作製することができる。
本実施形態によれば、高感度の音響センサが提供される。
（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係る音響センサを例示する模式的平面図である。
図８に表したように、本実施形態に係る音響センサ３００ｄにおいても、複数のセンサ部７２が設けられる。複数のセンサ部７２は、例えば、一体的に形成される。この例では、複数のセンサ部７２のそれぞれに含まれるトランスデュース薄膜６４のサイズは、互いに異なる。これ以外については、音響センサ３００ｄは、音響センサ３００ｃと同様である。
この例では、トランスデュース薄膜６４の形状は、円形である。実施形態において、トランスデュース薄膜６４の形状は、任意である。
センサ部７２の共振周波数は、トランスデュース薄膜６４のサイズや厚さに依存する。例えば、トランスデュース薄膜６４の形状が円形の場合、センサ部７２の共振周波数は、トランスデュース薄膜６４の径に依存する。
歪検知素子５０の大きさは、例えば、トランスデュース薄膜６４の大きさの１／５０以下である。センサ部の共振周波数に歪検知素子（の大きさ）が与える影響は、小さい。
音響センサ３００ｄにおいては、複数のトランスデュース薄膜６４の大きさが互いに異なるため、音響センサ３００ｄにおいて、複数のセンサ部７２のそれぞれの共振周波数は、互いに異なる。複数のセンサ部７２の中に、同程度の共振周波数を持つセンサ部７２が含まれていても良い。
すなわち、本実施形態に係る音響センサ（音響センサ３００ｄ）は、基体７０と、第１歪検知素子Ｓ１と、第２歪検知素子Ｓ２と、を含む。基体７０は、第１膜部Ｆ１と、第２膜部Ｆ２と、を含む。第２歪検知素子Ｓ２は、第２膜部の面（第２面）上に設けられる。第２面の面積と、第１膜部の面（第１面Ｆ１ａ）の面積と、は異なる。
図９は、音響センサの特性を示す模式図である。
図９の横軸は、周波数ｆである。縦軸は、強度Ｉｎｔである。
音響センサにおいて、１つのセンサ部７２における周波数特性の帯域は、狭い。この場合、共振点の近傍で感度が高い。
音響センサにおいて、複数のトランスデュース薄膜６４が設けられる。例えば、複数のトランスデュース薄膜６４の径または厚さがたがいに異なる。これにより、各センサ部７２の帯域幅が互いに重なる。このようなアレイ型センサは、広い周波数において共振可能になる。このようなアレイ型センサの周波数特性は、全体として広帯域となる。
一方、ＰＺＴなどの圧電材料を利用する参考例の音響センサにおいては、例えば、圧電素子の上にダンパー（吸音材）が設けられる。ダンパーは、不要振動を吸収し、共振が抑えられ、帯域が広がる。しかし、このような参考例の音響センサの感度は、低い。このような参考例の音響センサの感度よりも、本実施形態に係る音響センサの感度は、例えば、１０〜３０ｄＢ程度高い。
本実施形態においては、各センサ部７２は、例えば、共振点近傍で動作する。このため、高い感度で、広帯域特性の音響センサが得られる。
本実施形態によれば、高感度の音響センサが提供される。
（第４の実施形態）
図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、第４の実施形態に係る音響センサの一部を例示する模式的平面図である。
図１０（ａ）〜図１０（ｄ）に表したように、トランスデュース薄膜６４の膜面６４ａの形状は、例えば、円形、扁平円（楕円を含む）、正方形、長方形または多角形である。例えば、膜面６４ａの形状は、多角形の角を丸めた形状でもよい。この場合、膜面６４ａの重心６４ｂは、それぞれ、円の中心、扁平円の中心、楕円の中心、正方形の対角線の中心、及び、長方形の対角線の中心である。
円形のトランスデュース薄膜６４の場合、例えば、トランスデュース薄膜６４の径が、その共振周波数を支配的に決める。
例えば、円形のトランスデュース薄膜６４と同じの面積をもつ長方形のトランスデュース薄膜６４において、長方形の短辺の長さは、円形の半径よりも短い。この場合、長方形のトランスデュース薄膜６４の短辺の長さが、共振周波数を支配的に決める。すなわち、長方形のトランスデュース薄膜６４の共振周波数は、同じ面積の円形のトランスデュース薄膜６４の共振周波数よりも高くなる傾向がある。
このような形状のトランスデュース薄膜６４を用いることで、音響センサの共振周波数を高く設定することが可能である。
本実施形態においても、高感度な音響センサが提供される。
（第５の実施形態）
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第５の実施形態の係る音響センサを例示する模式図である。
これらの図は、音響センサに含まれる回路を例示している。これら回路は、音響センサに含まれず、音響センサに接続されても良い。
図１１（ａ）に表したように、本実施形態に係る音響センサ３０５ａは、電子回路部６１８と、通信回路部６１６と、を含む。電子回路部６１８と通信回路部６１６とは、互いに接続される。電子回路部６１８は、歪検知素子５０によって検出された超音波信号を処理する。通信回路部６１６は、電子回路部６１８によって処理されたデータを外部へ送信する。電子回路部６１８は、例えば、増幅部６１１、フィルタ６１２、ＡＤ変換器６１３、カウンタ６１４及びメモリ６１５を含む。
図１１（ｂ）に表したように、本実施形態に係る音響センサ３０５ｂにおいては、電子回路部６１８は、例えば、増幅部６１１、フィルタ６１２、ＡＤ変換器６１３、カウンタ６１４、メモリ６１５及びプリアンプ６１７を含む。
増幅部６１１は、検出した微弱な電気信号を以後の処理のために増幅する。フィルタ６１２は、外来の電気的または磁気的なノイズを除去する。フィルタ６１２は、低域通過フィルタ及び高域通過フィルタの少なくともいずれかを含む。ＡＤ変換器６１３は、アナログ信号をディジタル信号に変換する。カウンタ６１４は、設定されたしきい値を超える信号の出現の数をカウントする。メモリ６１５は一次処理データの保存を行う。増幅部６１１は、検出した微小な音響放射信号を増幅する。増幅においては、例えば、２０ｄＢ以上の増幅が行われる。
外部雑音は、歪検知素子５０と増幅部６１１との間において、信号に混入しやすい。本実施形態に係る音響センサ３０５ａにおいては、内部に増幅部６１１が設けられる。このため、歪検知素子５０と増幅部６１１との間のケーブル長が短く、歪検知素子５０と増幅部６１１との間において、外部雑音の混入が大幅に抑制される。
フィルタ６１２は、例えば、バンドパスフィルタである。フィルタ６１２は、例えば、対象とする超音波の周波数範囲（例えば２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）の信号を通過させ、それ以外の周波数の信号を通過させない（例えば減衰させる）。これにより、バックグラウンドノイズまたはホワイトノイズなどの、目的とする周波数帯域以外の波形が除去される。
これ以外の、音響放射に近い周波数成分を持つ音響ノイズや、電気的または磁気的ノイズ対策として、例えば、ノイズ伝送経路の遮断またはシールドが行われる。
ＡＤ変換器６１３によって、アナログの超音波信号は、ディジタル信号に変換される。
カウンタ６１４は、音響放射イベント数をカウントする。音響放射イベント数は、例えば、音響放射波の振幅の大きさが、予め設定したしきい値を超える回数である。
検出される音響放射波には、縦波、横波、弾性表面波及びこれらの反射波が混在している。例えば、縦波は、音響放射発生後に最初に音響センサに到達し、横波は、次に到達する。弾性表面波は、被測定物の表面を伝搬する。カウンタ６１４で計測される音響放射イベント数は、例えば、これら音響放射波の累積検出数である。
メモリ６１５は、音響センサ内の電子回路部６１８の一次データの保存を行う。
通信回路部６１６は、電子回路部６１８によって処理された一次処理データの外部通信を行う。例えば、通信回路部６１６は、中間処理部となるＰＣ等へデータを送信する。通信回路部６１６は、外部通信を行うためコネクタ及びケーブルに接続されている。
ユーザＰＣ６１９（中間処理部）において、音響センサに関して、例えば、出力リクエスト６１９ａ、またはしきい値設定６１９ｂが行われる。
（第６の実施形態）
図１２は、第６の実施形態に係る音響センサを例示する模式的断面である。
図１２に表したように、本実施形態に係る音響センサ３０６は、第１〜第５の実施形態に係る音響センサのいずれかに加えて、受電部６２０を含む。受電部６２０は、例えば、筐体９０の内部に設けられる。受電部６２０は、例えば、受電部基板６２１と、受電部基板６２１の上に設けられたアンプ６２２及び電力伝送回路６２３とを含む。受電部６２０は、例えば、超音波ワイヤレス給電の受電部となる。
図１３は、第６の実施形態に係る音響センサを例示する模式図である。
図１３は、本実施形態に係る音響センサ３０６ａに用いられる回路部を例示している。図１３は、超音波を伝送手段とした電力送信システムのブロック図を例示している。超音波によるワイヤレス電力伝送システムは、送電部６３０ａと、受電部６３０ｂと、を含む。
送電部６３０ａは、電力を送る。送電部６３０ａは、例えば、電源部６３１と、パルスジェネレータ６３２と、アンプ６３３と、超音波トランスデューサ６３４と、を含む。パルスジェネレータ６３２は、交流電圧パルスを発生させる。発生した交流電圧パルスは、アンプ６３３により増幅され、超音波トランスデューサ６３４に印加される。これにより、超音波が発生する。
受電部６３０ｂは、電力を受ける。受電部６３０ｂは、例えば、超音波トランスデューサ６３５と、整流部６３６と、蓄電部６３７と、負荷６３８（電子回路）と、を含む。受電部６３０ｂは、受信した超音波を直流電力に変換する。電力が負荷６３８に供給される。
図１４は、第６の実施形態に係る音響センサを例示する模式図である。
図１４は、本実施形態に係る音響センサ３０６ｂに用いられる整流回路６４０を例示している。整流回路６４０は、無線電力伝送システムに係る整流回路である。 筐体９０内部に設けられた受電部により、ケーブルを介さずに、ワイヤレスで電源が供給される。
（第７の実施形態）
図１５（ａ）〜図１５（ｅ）は、第７の実施形態に係る音響センサを示す模式的断面図である。
図１５（ａ）に表したように、音響センサ３０７においては、チップ７０１と、プリント基板７０２と、が設けられる。チップ７０１は、例えば、チップ縁部７０１ｅｇに塗布された接着材により、プリント基板７０２に接着される。例えば、プリント基板７０２には、ダイアフラム７０３の上部の位置に、孔７０４が設けられる。これにより、ダイアフラム７０３が変形することができる。プリント基板７０２は、配線取り出しのための孔７０５を含む。
図１５（ｂ）に表したように、空洞部７０ｈへの液体７０６の充填は、例えば、液体７０６中で行われる。液体充填後、例えば、光硬化樹脂７０ｓなどで液体を封止しても良い。空洞部７０ｈへの液体注入が空気中で行われると、ダイアフラム７０３上面にかかる圧力と、下面にかかる圧力と、の間に差が生じ、ダイアフラム７０３が歪む場合がある。液体７０６中で空洞部７０ｈへ液体７０６を充填することにより、ダイアフラムの歪みを抑えることができる。チップ７０１には、例えば、防水コーティングが施される。
図１５（ｃ）に表したように、音響センサ３０７ａにおいては、筐体９０に、注入孔７０７及び脱気孔７０８が設けられる。この例では、注入孔７０７及び脱気孔７０８は、筐体９０の側面に設けられている。
例えば、空洞部７０ｈには液体７０６が注入され、液体７０６の下面７０ｌは、平坦である。その後、注入孔７０７から液体が注入される。その際、脱気孔７０８から気体を除去しながら、液体を充填する。これにより、例えば、気体を残さずに液体を充填することができる。液体を充填後、注入孔７０７及び脱気孔７０８を封止する。注入孔７０７及び脱気孔７０８の封止には、例えば、光硬化樹脂が用いられる。
図１５（ｄ）に表したように、脱気孔７０８を設けなくても良い。筐体と基体とに囲まれる空間は、大気圧でシールドされている。この場合、音響センサを減圧した後、注入孔７０７を液体７０６中に浸す。その後、音響センサを大気圧下に戻すことで、気圧差が生じるため、筐体９０の内部の空洞部７０ｈへ液体７０６が入っていく。減圧時にダイアフラムは下側に撓むが、大気圧に戻すと元の位置に戻る。最後に注入孔７０７を封止する。注入孔７０７の封止には、例えば、光硬化樹脂が用いられる。このような、液体充填の手法を用いることで、本実施形態に係る音響センサにおいては、液体充填後のダイアフラムに歪を生じさせずに、液体の充填を行うことができる。
図１５（ｅ）に表したように、音響センサ３０７ｂにおいては、チップ７０１ｂの下に液体７０６が配置される。歪検知素子５０が、周囲の液体７０６と接触しショートする場合がある。例えば、歪検知素子５０には、防水コーティングが施される。
ダイアフラムの径は、例えば、１μｍ以上３ｍｍ以下である。好ましくは、６０μｍ以上、１ｍｍ以下である。歪検知素子５０の径は、例えば、２０μｍである。そのため、歪検知素子５０の防水コーティングよる、ダイアフラム７０３の歪に与える影響は、わずかである。
図１６は、音響放射波を示す模式図である。
例えば、被測定物８１０の破壊が近づくと、音響放射の発生頻度は高くなる。音響放射の発生を計測することにより、被測定物８１０の劣化程度が推定される。図１６に表したように、音響放射波の振幅波形ＡＭ１が、設定値ＤＬ１を越える回数が計測される。
（第８の実施形態）
図１７は、第８の実施形態に係る音響センサシステムを例示する模式図である。
図１７に表したように、本実施形態に係る音響センサシステム３５０においては、複数の音響センサが用いられる。この例では、複数の音響センサ３００ａが用いられている。音響センサとして、上記の実施形態に係る任意の音響センサ、及び、その変形を用いても良い。複数の音響センサにより、例えば、音響放射発生源７１０の位置特定（位置標定）の精度が向上する。例えば、音響センサの設置間隔は、被測定物８１０における音響放射の伝搬距離よりも狭くする。例えば、複数の音響センサ３００ａを直線上に配置する。これにより、例えば、音響放射発生源７１０の１次元の位置を特定することができる。例えば、複数の音響センサ３００ａを同一平面上に配置する。これにより、例えば、音響放射発生源７１０の２次元の位置を特定することができる。例えば、複数の音響センサ３００ａを複数の平面上に配置する。これにより、例えば、音響発生源７１０の３次元の位置を特定することができる。
実施形態によれば、音響センサ及び音響センサシステムが提供される。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、音響センサ及び音響センサシステムに含まれる基体、センサ部、膜部、トランスデュース薄膜、固定部、歪検知素子、磁性層、中間層、伝達材、音響整合層、及び、信号処理回路などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した音響センサ及び音響センサシステムを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての音響センサ及び音響センサシステムも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
１０…第１磁性層、 １０ａ…磁性積層膜、 １０ｂ…高磁歪磁性膜、 １５…第１中間層、 ２０…第２磁性層、 ３０…第３磁性層、 ３０ｂ…第５磁性層、 ３５…第２中間層、 ３５ｂ…第３中間層、 ４０…第４磁性層、 ４０ｂ…第６磁性層、 ４１…バッファ層、 ４２…反強磁性層、 ４３…磁性層、 ４４…Ｒｕ層、 ４５…キャップ層、 ５０…歪検知素子、 ５０ｓ…歪抵抗変化部、 ５１、５２…電極、 ５４ａ〜５４ｂ…絶縁層、 ５５ａ、５５ｂ…バイアス層、 ５７、５８…配線、 ６４…トランスデュース薄膜、 ６４ａ…膜面、 ６４ｂ…重心、 ６４ｅｇ…縁部、 ７０…基体、 ７０ｅ…非空洞部、 ７０ｈ…空洞部、 ７０ｌ…下面、 ７０ｓ…光硬化樹脂、 ７１…支持体、 ７２…センサ部、 ７３…音響カプラ、 ９０…筐体、 ９１…底板、 ９５…基体支持体、 ９６…固定部、 ９７…音響カプラ材、 ３００ａ〜３００ｄ、３０５ａ、３０５ｂ、３０６、３０６ａ、３０６ｂ、３０７、３０７ａ、３０７ｂ…音響センサ、 ３５０…音響センサシステム、 ６１１…増幅部、 ６１２…フィルタ、 ６１３…変換器、 ６１４…カウンタ、 ６１５…メモリ、 ６１６…通信回路部、 ６１７…プリアンプ、 ６１８…電子回路部、 ６１９…ＰＣ、 ６１９ａ…出力リクエスト、 ６１９ｂ…しきい値設定、 ６２０…受電部、 ６２１…受電部基板、 ６２２…アンプ、 ６２３…電力伝送回路、 ６３０ａ…送電部、 ６３０ｂ…受電部、 ６３１…電源部、 ６３２…パルスジェネレータ、 ６３３…アンプ、 ６３４、６３５…超音波トランスデューサ、 ６３６…整流部、 ６３７…蓄電部、 ６３８…負荷、 ６４０…整流部、 ７０１、７０１ｂ…チップ、 ７０１ｅｇ…チップ縁部、 ７０２…プリント基板、 ７０３…ダイアフラム、 ７０４、７０５…孔、 ７０６…液体、 ７０７…注入孔、 ７０８…脱気孔、 ７１０…音響放射発生源、 ８１０…被測定物、 ＡＭ１…振幅波形、 ＤＬ１…設定値、 Ｆ１…第１膜部、 Ｆ１ａ…第１面、 Ｆ２…第２膜部、 Ｆ２ａ…第２面、 Ｉｎｔ…強度、 Ｍ０１…第１層、 Ｍ０２…第２層、 ＴＭ１…第１伝達材、 ＴＭ２…第２伝達材、 Ｓ１…第１歪検知素子、 Ｓ２…第２歪検知素子、 ｆ…周波数

Claims (20)

  1. 支持体と、前記支持体に支持された可撓性の第１膜部と、を含む基体と、
    前記第１膜部の第１面上に設けられ、第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１中間層と、を含む第１歪検知素子と、
    を備え、
    前記第１膜部に接する第１伝達材により前記第１膜部が受けた音響波により、前記第１磁性層の磁化と前記第２磁性層の磁化との間の角度が可変の音響センサ。
  2. 支持体と、前記支持体に支持された可撓性の第１膜部と、を含む基体と、
    前記第１膜部の第１面上に設けられ、第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１中間層と、を含む第１歪検知素子と、
    前記第１膜部に接し被測定物の音響波を前記第１膜部に伝える第１伝達材と、
    を備えた音響センサ。
  3. 前記第１伝達材は、前記支持体と前記第１膜部とで区画される空間に充填される請求項１または２に記載の音響センサ。
  4. 前記基体を、音響波を放出する被測定物に固定させる固定部をさらに備え、
    前記第１伝達材の音響インピーダンスは、前記被測定物の音響インピーダンスよりも低い請求項１〜３のいずれか１つに記載の音響センサ。
  5. 前記基体と前記第１歪検知素子と前記第１伝達材とを格納する筐体と、
    底板と、をさらに備え、
    前記底板と前記第１膜部との間に前記第１伝達材が配置される請求項１〜４のいずれか１つに記載の音響センサ。
  6. 前記底板と被測定物との間に設けられた音響カプラ材をさらに備えた請求項５に記載の音響センサ。
  7. 前記第１伝達材は、液体、ゲル状または固体である請求項１〜６のいずれか１つに記載の音響センサ。
  8. 前記第１伝達材は、水、グリセリン、水銀及びゴムの少なくともいずれかを含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の音響センサ。
  9. 前記第１伝達材は、
    第１層と、
    前記第１層と前記第１膜部との間に設けられた第２層と、
    を含む請求項１〜８のいずれか１つに記載の音響センサ。
  10. 第２歪検知素子と、
    第２伝達材と、
    をさらに備え、
    前記基体は、前記支持体に支持された第２膜部をさらに含み、
    前記第２歪検知素子は、前記第２膜部の第２面上に設けられ、第３磁性層と、第４磁性層と、前記第３磁性層と前記第４磁性層との間に設けられた第２中間層と、を含み、
    前記第２伝達材は、前記第２膜部に接し前記音響波を前記第２膜部に伝える請求項１〜９のいずれか１つに記載の音響センサ。
  11. 前記第１膜部の前記第１面の面積は、前記第２膜部の前記第２面の面積とは異なる請求項１０記載の音響センサ。
  12. 前記第１歪検知素子におけるセンサ部の共振周波数は、前記第２検知素子におけるセンサ部の共振周波数とは異なる請求項１０または１１に記載の音響センサ。
  13. 第２歪検知素子をさらに備え、
    前記第２歪検知素子は、前記第１面上に設けられ、第３磁性層と、第４磁性層と、前記第３磁性層と前記第４磁性層との間に設けられた第２中間層とを含む請求項１〜９のいずれか１つに記載の音響センサ。
  14. 第３歪検知素子をさらに備え、
    前記第３歪検知素子は、前記第１面上に設けられ、第５磁性層と、第６磁性層と、前記第５磁性層と前記第６磁性層との間に設けられた第３中間層とを含む請求項１０〜１２のいずれか１つに記載の音響センサ。
  15. 前記第１膜部の形状は円形である請求項１〜１４のいずれか１つに記載の音響センサ。
  16. 前記第１膜部の形状は多角形である請求項１〜１４のいずれか１つに記載の音響センサ。
  17. 前記第１膜部の形状は矩形である請求項１〜１４のいずれか１つに記載の音響センサ。
  18. 前記第１膜部の形状は多角形の角を丸めた形状である請求項１〜１４のいずれか１つに記載の音響センサ。
  19. 前記第１歪検知素子の面積は、前記第１面の面積の１／５以下である請求項１〜１６のいずれか１つに記載の音響センサ。
  20. 請求項１〜１９のいずれか１つに記載の音響センサを複数備えた音響センサシステム。
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