JP2017053835A - センサ、センサシステム及び電動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】感度を向上できるセンサ、センサシステム及び電動装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、センサは、支持部と、膜部と、第1検知素子と、第2検知素子と、処理部と、を含む。前記膜部は、前記支持部に支持され、変形する。前記第1検知素子は、前記支持部に固定され、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。前記第2検知素子は、前記膜部に固定され、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。前記処理部は、前記第1検知素子から得られる第1信号が第1状態のときに前記第2検知素子から得られる第2信号に基づく出力信号を出力する。前記第1信号が前記第1状態とは異なる第2状態のときの前記処理部の出力は、前記出力信号とは異なる。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、センサ、センサシステム及び電動装置に関する。
例えば、磁性体を用いたセンサがある。センサにより例えば音波が検知される。対象物から発生する音波を検知することで、対象物の状況を把握することができる。センサにおいて、高い感度の検知が望まれる。
本発明の実施形態は、感度を向上できるセンサ、センサシステム及び電動装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、センサは、支持部と、膜部と、第1検知素子と、第2検知素子と、処理部と、を含む。前記膜部は、前記支持部に支持され、変形する。前記第1検知素子は、前記支持部に固定され、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。前記第2検知素子は、前記膜部に固定され、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。前記処理部は、前記第1検知素子から得られる第1信号が第1状態のときに前記第2検知素子から得られる第2信号に基づく出力信号を出力する。前記第1信号が前記第1状態とは異なる第2状態のときの前記処理部の出力は、前記出力信号とは異なる。
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、各部分の厚みと幅との関係、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。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、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(a)〜図1(c)は、第1の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図1(a)は、斜視図である。図1(b)は、図1(a)のA1−A2線断面図である。図1(c)は、図1(a)のB1−B2線断面図である。
図1(a)〜図1(c)は、第1の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図1(a)は、斜視図である。図1(b)は、図1(a)のA1−A2線断面図である。図1(c)は、図1(a)のB1−B2線断面図である。
図1(a)に示すように、実施形態にかかるセンサ110は、保持部70s(支持部)と、膜部70dと、第1検知素子51と、第2検知素子52と、を含む。
膜部70dは、保持部70sに保持(支持)される。膜部70dは、変形する。膜部70dは、変形可能である。例えば、膜部70d及び保持部70sとなる基板が設けられる。基板は、例えば、シリコン基板である。基板の一部が除去され、基板に空洞70hが設けられる(図1(c)参照)。例えば、基板のうちの薄い部分が膜部70dとなる。基板のうちの厚い部分が保持部70sとなる。
第1検知素子51は、保持部70sに固定されている。例えば、第1検知素子51は、保持部70sの一部の上に設けられている。
第2検知素子52は、膜部70dに固定されている。例えば、第2検知素子52は、膜部70dの一部の上に設けられている。
膜部70dから第1検知素子51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。Z軸方向およびX軸方向に対して垂直な方向をY軸方向とする。
この例では、複数の第1検知素子51、及び、複数の第2検知素子52が設けられる。この例では、複数の第1検知素子51は、X軸方向に沿って並ぶ。この例では、複数の第2検知素子52は、X軸方向に沿って並ぶ。例えば、第2検知素子52は、第1検知素子と、Y軸方向において並ぶ。例えば、複数の第1検知素子51は、互いに直列に接続される。例えば、複数の第2検知素子52は、互いに直列に接続される。実施形態において、第1検知素子51の数は、1でも良い。第2検知素子52の数は、1でも良い。第1検知素子51の数は、任意である。第2検知素子52の数は、任意である。
図1(b)に示すように、第1検知素子51は、第1磁性層11と、第2磁性層12、第1中間層11Mと、を含む。第1中間層11Mは、第1磁性層11と第2磁性層12との間に設けられる。第2磁性層12は、実質的にZ軸方向に沿って、第1磁性層11と離間する。この例では、第1磁性層11と膜部70dとの間に第2磁性層12が設けられる。実施形態において、第2磁性層12と膜部70dとの間に第1磁性層11が配置されても良い。
この例では、第1電極58a及び第2電極58bが設けられる。例えば、第1電極58aと第2電極58bとの間に、第1磁性層11、第2磁性層12及び第1中間層11Mが配置される。第1電極58aと第2電極58bとの間に電圧を印加することで、第1検知素子51の抵抗が検知される。第1電極58aと保持部70sとの間に第1絶縁層58iが設けられている。
図1(c)に示すように、第2検知素子52は、第3磁性層13と、第4磁性層14と、第2中間層12Mと、を含む。第2中間層12Mは、第3磁性層13と第4磁性層14との間に設けられる。第4磁性層14は、実質的にZ軸方向に沿って、第3磁性層13と離間する。この例では、第3磁性層13と膜部70dとの間に第4磁性層14が設けられる。実施形態において、第4磁性層14と膜部70dとの間に第3磁性層13が配置されても良い。
この例では、第3電極58c及び第4電極58dが設けられる。例えば、第3電極58cと第4電極58dとの間に、第3磁性層13、第4磁性層14及び第2中間層12Mが配置される。第3電極58cと第4電極58dとの間に電圧を印加することで、第2検知素子52の抵抗が検知される。第3電極58cと膜部70dとの間に第2絶縁層58jが設けられている。
例えば、第1磁性層11の磁化は、第1検知素子51に加わる磁界に応じて変化する。例えば、第2磁性層12の磁化は、第1磁性層11の磁化に比べて変化し難い。第1磁性層11は、例えば、磁化自由層である。第2磁性層12は、例えば、磁化固定層である。第2磁性層12は、例えば、参照層である。
第1検知素子51に加わる磁界に応じて、第1磁性層11の磁化と、第2磁性層12の磁化と、の間の角度が変化する。角度の変化に対応して、第1磁性層11と第2磁性層12との間の電気抵抗が変化する。この変化は、例えば、磁気抵抗効果に基づく。
実施形態において、第2磁性層12の磁化が変化しても良い。この場合も、第1検知素子51に加わる磁界に応じて、第1磁性層11の磁化と、第2磁性層12の磁化と、の間の角度が変化する。
一方、第2検知素子51において、第3磁性層13の磁化は、変化する。例えば、第4磁性層14の磁化は、第3磁性層13の磁化に比べて変化し難い。第3磁性層13は、例えば、磁化自由層である。第4磁性層14は、例えば、磁化固定層である。第4磁性層14は、例えば、参照層である。
第2検知素子52は、変形する膜部70dに固定されている。例えば、膜部70dに音波(超音波を含む)などの圧力が加わる。圧力により、膜部70dが変形する。これにより、第2検知素子52の磁性層に歪が生じる。歪は例えば、異方性の歪である。この歪により、第3磁性層13の磁化が変化する。この変化は、例えば、逆磁歪効果に基づく。このように、第3磁性層13の磁化は、膜部70dの変形に応じて変化する。これにより、第3磁性層13の磁化と、第4磁性層14の磁化と、の間の角度が変化する。すなわち、第3磁性層13の磁化と第4磁性層14の磁化との間の角度は、膜部70dの変形に対応して変化する。これにより、第3磁性層13と第4磁性層14との間の電気抵抗が、変化する。この抵抗の変化は、例えば、磁気抵抗効果に基づく。
実施形態において、第4磁性層14の磁化が変化しても良い。この場合も、第2検知素子52に生じる歪に応じて、第3磁性層13の磁化と、第4磁性層14の磁化と、の間の角度が変化する。
第2検知素子52は、第1検知素子51に近接して配置されている。第1検知素子51に、外部から磁界が加わるときには、第2検知素子52にも実質的に同じ磁界が加わる。
このため、第2検知素子52においては、第3磁性層13の磁化は、膜部70dの変形と、外部から加わる磁化と、の両方の影響を受ける。
例えば、センサ110の検知対象は、電動機である。電動機においては、例えば、磁石(電磁石を含む)が回転することにより、軸が回転する。軸の回転が利用される。軸から音波(超音波を含む)が発生する。この音波は、例えば、軸と、他の部材と、の接触などにより生じる。電動機が異常なときの音波は、電動機が正常なときの音波とは、異なる。電動機が故障に近づくと、音波が変化する場合がある。このような音波を検知することで、検知対象(電動機など)の故障を予測することができる。
このような用途においては、検知対象から音波と同時に磁界が発生する。磁界は、周期的に変化する。検知対象の近くにセンサを配置して高精度の検知を行う場合には、検知の目的とする音波の他に、強い磁界がセンサに加わる。磁性層を用いたセンサは、高感度であるため、磁界の影響が大きい。このような磁界は、ノイズとなる。
このような用途において、2つの検知素子を用いることで、ノイズの影響を低減できる。処理部61は、このような検知素子から得られる信号を処理する。
例えば、処理部61は、第1検知素子51から得られる第1信号が所定の状態(第1状態)のときに第2検知素子52から得られる第2信号に基づく出力信号を出力する。第1状態は、例えば、外部から加わる磁界が小さい状態である。処理部61は、第1信号が第2状態のときには、この出力信号を出力しない。この第2状態は、第1状態とは異なる状態であり、例えば、外部から加わる磁界が大きいときである。このような処理により、磁界の影響を抑制した高感度な検知が可能になる。実施形態によれば、感度を向上できるセンサが提供できる。
以下、処理部61の例について説明する。
図2は、第1の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図2に示すように例えば、処理部61は、比較回路61aと、スイッチ回路61bと、を含む。比較回路61aは、第1検知素子51の第1信号Sg1と基準値Vbとを比較する。スイッチ回路61bは、この比較の出力に基づいて、第2検知素子51に供給される電流を開閉する。すなわち、スイッチ回路61bは、導通状態と非導通状態とを切り替える。
図2は、第1の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図2に示すように例えば、処理部61は、比較回路61aと、スイッチ回路61bと、を含む。比較回路61aは、第1検知素子51の第1信号Sg1と基準値Vbとを比較する。スイッチ回路61bは、この比較の出力に基づいて、第2検知素子51に供給される電流を開閉する。すなわち、スイッチ回路61bは、導通状態と非導通状態とを切り替える。
この例では、全波整流回路61dと、出力部61cと、が設けられている。この例では、第2検知素子52の一端が、出力部61cの入力に接続される。
例えば、第1検知素子51に、第1電流源61pから電流が供給される。第1検知素子51から得られる第1信号Sg1が、全波整流回路61dに入力される。全波整流回路61dの出力が、比較回路61aに入力される。比較回路61aには、基準値Vbの電圧が入力される。比較回路61aにおいて、第1信号Sg1の絶対値(例えば実効値でも良い)と、基準値Vbと、が比較される。比較の結果が、比較回路61aから出力される。
例えば、第1信号Sg1の絶対値(例えば実効値でも良い)が、基準値Vbよりも小さい状態が、第1状態である。第1信号Sg1の絶対値(例えば実効値でも良い)が、基準値Vb以上の状態が、第2状態である。すなわち、第1状態における第1信号Sg1の振幅は、しきい値(基準値Vbに対応)よりも小さい。第2状態における第1信号Sg1の振幅は、しきい値以上である。
比較の結果の信号が、スイッチ回路61bに供給される。第1状態のときは、スイッチ回路61bは、例えば、導通状態となる。第2状態のときに、スイッチ回路61bは、非導通状態(遮断状態)となる。
第1状態において、第2検知素子52に第2電流源61qから電流が供給される。第2検知素子52から、第2検知素子52で検知された信号(第2信号Sg2)が得られる。これにより、第1状態における第2検知素子52の第2信号Sg2が、出力部61cを介して、出力信号61oとして、出力される。一方、第2状態においては、第2検知素子52には、電流が供給されない。第2信号Sg2が発生しない。すなわち、第2状態においては、第2信号Sg2は、出力されない。
以下、これらの検知素子の信号の例について説明する。
図3(a)〜図3(c)は、第1の実施形態に係るセンサの動作を例示する模式図である。
これらの図において、横軸は、時間tである。図3(a)は、第1検知素子51の第1信号Sg1に対応する。図3(a)の縦軸は、電圧Vopである。第3(b)は、第2検知素子52の第2信号Sg2に対応する。この図では、分かりやすいように、第2信号Sg2の2つの成分を分離して示している。図3(b)の縦軸は、電圧Vopである。図3(c)は、スイッチ回路61bの状態を例示している。図3(c)において、導通状態CTのとき、スイッチ回路61bにおいて電流が流れる。信号が伝達される。図3(c)において、非導通状態NCのときに、スイッチ回路61bにおいて電流が流れない。信号が伝達されない。
これらの図において、横軸は、時間tである。図3(a)は、第1検知素子51の第1信号Sg1に対応する。図3(a)の縦軸は、電圧Vopである。第3(b)は、第2検知素子52の第2信号Sg2に対応する。この図では、分かりやすいように、第2信号Sg2の2つの成分を分離して示している。図3(b)の縦軸は、電圧Vopである。図3(c)は、スイッチ回路61bの状態を例示している。図3(c)において、導通状態CTのとき、スイッチ回路61bにおいて電流が流れる。信号が伝達される。図3(c)において、非導通状態NCのときに、スイッチ回路61bにおいて電流が流れない。信号が伝達されない。
図3(a)に示すように、第1信号Sg1は、第1周波数の成分CM1を含む。第1周波数は、低い。第1周波数の成分CM1は、例えば、電動機から加わる磁界の変化に対応する。
図3(b)に示すように、第2信号Sg2は、第2周波数の成分CM2を含む。第2周波数は、第1周波数よりも高い。第2周波数の成分CM2は、例えば、検知対象の音波である。第2信号Sg2は、この第2周波数の成分CM2に加えて、第1周波数の成分CM1(磁界の成分)をさらに含む。第2信号Sg2は、第1周波数の成分CM1と第2周波数の成分CM2との合成信号を含む。
例えば、第1周波数は、100Hz以上800Hz以下である。例えば、第2周波数は、20kHz以上200KHz以下である。例えば、第2周波数は、第1周波数の20倍以上2000倍以下である。例えば、第2周波数は、20kHz以上80KHz以下でも良い。例えば、第2周波数は、第1周波数の20倍以上800倍以下でも良い。
第1信号Sg1は、第1磁性層11と第2磁性層12との間の第1抵抗の変化に対応する。第2信号Sg2は、第3磁性層13と第4磁性層14との間の第2抵抗の変化に対応する。第1信号Sg1は、第1磁性層11の磁化と、第2磁性層12の磁化と、の間の角度の変化に対応する。第2信号Sg2は、第3磁性層13の磁化と、第4磁性層14の磁化と、の間の角度の変化に対応する。
このように、第1信号Sg1は、第1検知素子51が受ける磁界の変化に対応する第1成分(第1周波数の成分CM1)を含む。第2信号Sg2は、膜部70dの変形に対応する第2成分(第2周波数の成分CM2)を含む。第2信号Sg2は、この第1成分も含む。
このように、第1成分を含む第1信号Sg1の状態(第1状態ST1または第2状態ST2)に基づいて、第1成分及び第2成分を含む第2信号Sg2が、抽出される。
図3(a)に示すように、第1状態ST1における第1信号Sg1の振幅は、第2状態ST2における第1信号Sg1の振幅よりも小さい。このような第1状態ST1と第2状態ST2の設定のために、例えば、基準値Vb(しきい値)が用いられる。
図3(a)に示すように、第1周波数の成分CM1の振幅が、基準値(+Vb及び−Vb)よりも小さいときが、第1状態ST1に対応する。第1周波数の成分CM1の振幅が、基準値(+Vb及び−Vb)以上のときが、第2状態ST2に対応する。
図3(c)に示すように、第1状態ST1のとき、スイッチ回路61bは、導通状態CTとなる。第2状態ST2のときに、スイッチ回路61bは、非導通状態NCとなる。
このように、例えば、スイッチ回路61bは、比較の出力に基づいて、第2検知素子52に供給される電流を開閉する。これにより、処理部61は、第1検知素子51から得られる第1信号Sg1が第1状態ST1のときに、第2検知素子52から得られる第2信号Sg2に基づく出力信号61oを出力する。そして、処理部61は、第1信号Sg1が第1状態ST1とは異なる第2状態ST2のときに、出力信号61oを出力しない。
センサ110においては、ノイズとなる磁界に対応する第1信号Sg1が小さいときに、検知対象の音波に対応する第2信号Sg2を抽出する。これにより、磁界の影響を抑制できる。これにより高感度の検知が可能になる。
一方、第1検知素子51の出力と、第2検知素子52の出力と、の差を得る参考例の方法もある。この場合には、例えば、ノイズとなる磁界の影響がキャンセルされ、検知対象の音波に対応する信号だけを抽出することができる。しかし、電動機などからの音の検知を行う場合、磁界が強い場合には、検知素子における抵抗変化が飽和状態となる。検知素子の磁化自由層の磁化の方向は、磁界に応じて変化するが、磁界が一定以上の強さになると、磁化の方向の変化が飽和し、磁化の方向は、変化しなくなる。このような状態のときに、音波に基づく膜部70dの変形によって磁性層に歪が生じても磁化の変化が生じない。このため、2つの検知素子の差を検知する参考例においては、強い磁界がある場合に、検知の感度を十分に高めることが困難である。
これに対して、本実施形態においては、磁界の影響に基づく第1検知素子51の第1信号Sg1が小さいときに、第2信号Sg2を抽出する。これにより、強い磁界の影響が抑制できる。強い磁界によって磁化の方向の変化が飽和する状態を除去できる。これにより高感度の検知が可能になる。実施形態によれば、感度を向上できるセンサが提供できる。
実施形態において、第1状態ST1において抽出される第2信号Sg2は、磁界の変化に基づく第1周波数の成分CM1(第1成分)と、音波に基づく第2周波数の成分CM2(第2成分)と、の合成の信号である。すなわち、第2信号Sg2においては、検知の目的とする第2成分に、第1成分が加わる。第1成分の周波数は、第2成分の周波数よりも十分に低いため、第1成分による検知への影響は小さい。第1成分が存在しても、高い検知感度を維持できる。
図4は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。
図4に示すように、実施形態に係る別のセンサ111においては、処理部61は、比較回路61aと、スイッチ回路61bと、出力部61cと、を含む。比較回路61aは、第1検知素子51の第1信号Sg1と基準値Vbとを比較する。スイッチ回路61bは、この比較の出力に基づいて、第2検知素子52と出力部61cとの間の経路を開閉する。これ以外は、センサ110と同様なので説明を省略する。
図4に示すように、実施形態に係る別のセンサ111においては、処理部61は、比較回路61aと、スイッチ回路61bと、出力部61cと、を含む。比較回路61aは、第1検知素子51の第1信号Sg1と基準値Vbとを比較する。スイッチ回路61bは、この比較の出力に基づいて、第2検知素子52と出力部61cとの間の経路を開閉する。これ以外は、センサ110と同様なので説明を省略する。
この場合も、処理部61は、第1検知素子51から得られる第1信号Sg1が第1状態ST1のときに、第2検知素子52から得られる第2信号Sg2に基づく出力信号61oを出力する。そして、処理部61は、第1信号Sg1が第1状態ST1とは異なる第2状態ST2のときに、出力信号61oを出力しない。これにより、例えば、磁界の影響を抑制できる。これにより高感度の検知が可能になる。
図5は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。
図5に示すように、実施形態に係る別のセンサ112においては、処理部61に、第1検知素子51から得られる第1信号Sg1、及び、第2検知素子52から得られる第2信号Sg2が入力される。これ以外は、センサ110と同様なので説明を省略する。
図5に示すように、実施形態に係る別のセンサ112においては、処理部61に、第1検知素子51から得られる第1信号Sg1、及び、第2検知素子52から得られる第2信号Sg2が入力される。これ以外は、センサ110と同様なので説明を省略する。
処理部61は、第1検知素子51から得られる第1信号Sg1が第1状態ST1のときに、第2検知素子52から得られる第2信号Sg2に基づいて検知を行う。処理部61は、第1信号Sg1が第1状態ST1とは異なる第2状態ST2のときに、検知を行わない。検知の結果が、出力信号61o(情報)として出力される。
例えば、第1信号Sg1及び第2信号Sg2がA/D変換される。変換されたデジタル信号が、処理部61において、処理される。第1信号Sg1に対応するデジタル信号から、第1信号Sg1の振幅が小さい時間領域が認識される。この時間領域に対応する第2信号Sg2(デジタル信号)が抽出される。抽出された信号が、出力信号61o(情報)として出力される。
これにより、例えば、磁界の影響を抑制できる。センサ112においても、高感度の検知が可能になる。
図6は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。
図6に示すように、センサ113においても、処理部61は、比較回路61aと、スイッチ回路61bと、を含む。この例においては、第1定電圧源61pVと、第2定電圧源62pVと、が設けられる。
図6に示すように、センサ113においても、処理部61は、比較回路61aと、スイッチ回路61bと、を含む。この例においては、第1定電圧源61pVと、第2定電圧源62pVと、が設けられる。
例えば、第1検知素子51と第1固定抵抗Rb1とが直列に接続される。第1定電圧源61pVは、第1検知素子51及び第1固定抵抗Rb1に電圧を印加する。第2検知素子52と第2固定抵抗Rb2とが直列に接続される。第2定電圧源62pVは、第2検知素子52及び第2固定抵抗Rb2に電圧を印加する。
第1検知素子51と第1固定抵抗Rb1との間の接続点が、比較回路61aの入力に接続される。第2検知素子52と第2固定抵抗Rb2との間の接続点が、スイッチ回路61bの入力に接続される。
比較回路61aは、第1検知素子51と第1固定抵抗Rb1との間の接続点の第1信号Sg1と基準値Vbとを比較する。スイッチ回路61bは、この比較の出力に基づいて、導通状態と非導通状態とを切り替える。スイッチ回路61bが導通状態のときに、第2検知素子52と第2固定抵抗Rb2との間の接続点の信号が、出力部61cの入力に接続される。スイッチ回路61bが非導通状態のときに、第2検知素子52と第2固定抵抗Rb2との間の接続点の信号が、出力部61cの入力に接続されない。
この例においては、例えば、ホイーストンブリッジのhalf brideg構成が用いられる。例えば、第1検知素子51と第1固定抵抗Rb1との間の接続点と、比較回路61aの入力と、の間に、全波整流回路61dが設けられる。
図7(a)〜図7(g)は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。
図7(a)は、斜視図である。図7(b)〜図7(g)は、断面図である。
図7(a)は、斜視図である。図7(b)〜図7(g)は、断面図である。
図7(a)に示すように、センサ120は、保持部70s、膜部70d、第1検知素子51及び第2検知素子52に加えて、第3〜第8検知素子53〜58を含む。保持部70s、膜部70d、第1検知素子51及び第2検知素子52については、センサ110と同様なので、説明を省略する。以下、第3〜第8検知素子53〜58の例について説明する。
第3検知素子53は、保持部70sに固定される。この例では、第3検知素子53が配置されるY軸方向の位置と、第1検知素子51が配置されるY軸方向の位置と、の間に、膜部70dが配置される。図7(b)に示すように、第3検知素子53は、第5磁性層15と、第6磁性層16と、第5磁性層15と第6磁性層16との間に設けられた第3中間層13Mと、を含む。例えば、第5磁性層15には、第1磁性層11に用いられる材料が用いられる。第6磁性層16には、例えば、第2磁性層12に用いられる材料が用いられる。第6磁性層16(例えば参照層)の磁化の方向は、第2磁性層12の磁化の方向と逆である。第3中間層13Mには、第1中間層11Mに用いられる材料が用いられる。
第4検知素子54は、膜部70dに固定される。この例では、第3検知素子53が配置されるY軸方向の位置と、第2検知素子52が配置されるY軸方向の位置と、の間に、第4検知素子54が配置されるY軸方向の位置がある。図7(c)に示すように、第4検知素子54は、第7磁性層17と、第8磁性層18と、第7磁性層17と第8磁性層17との間に設けられた第4中間層14Mと、を含む。例えば、第7磁性層17の材料は、第3磁性層13の材料とは異なる。第7磁性層17の磁歪定数の極性は、第3磁性層13の磁歪定数の極性と逆である。第3磁性層13の磁歪定数は正及び負の一方である。第7磁性層17の磁歪定数は正及び負の他方である。第8磁性層18には、例えば、第4磁性層14に用いられる材料が用いられる。第4中間層14Mには、第2中間層12Mに用いられる材料が用いられる。
第5検知素子55は、保持部70sに固定される。この例では、第5検知素子55は、X軸方向において、第1検知素子51と並ぶ。図7(d)に示すように、第5検知素子55は、第9磁性層19と、第10磁性層20と、第9磁性層19と第10磁性層20との間に設けられた第5中間層15Mと、を含む。例えば、第9磁性層19には、第1磁性層11に用いられる材料が用いられる。第10磁性層20には、例えば、第2磁性層12に用いられる材料が用いられる。第10磁性層20(例えば参照層)の磁化の方向は、第2磁性層12の磁化の方向と同じである。第5中間層15Mには、第1中間層11Mに用いられる材料が用いられる。
第6検知素子56は、膜部70dに固定される。この例では、第6検知素子56は、X軸方向において、第2検知素子52と並ぶ。図7(e)に示すように、第6検知素子56は、第11磁性層21と、第12磁性層22と、第11磁性層21と第12磁性層22との間に設けられた第6中間層16Mと、を含む。例えば、第11磁性層21の材料は、第3磁性層13の材料と同じである。第12磁性層22には、例えば、第4磁性層14に用いられる材料が用いられる。第6中間層16Mには、第2中間層12Mに用いられる材料が用いられる。
第7検知素子57は、保持部70sに固定される。この例では、第7検知素子57は、X軸方向において、第3検知素子53と並ぶ。図7(f)に示すように、第7検知素子57は、第13磁性層23と、第14磁性層24と、第13磁性層23と第14磁性層24との間に設けられた第7中間層17Mと、を含む。例えば、第13磁性層15には、第5磁性層15に用いられる材料が用いられる。第14磁性層24には、例えば、第6磁性層16に用いられる材料が用いられる。第14磁性層24(例えば参照層)の磁化の方向は、第2磁性層12の磁化の方向と逆である。第7中間層17Mには、第3中間層13Mに用いられる材料が用いられる。
第8検知素子58は、膜部70dに固定される。この例では、第8検知素子53は、X軸方向において、第4検知素子54と並ぶ。図7(g)に示すように、第8検知素子58は、第15磁性層25と、第16磁性層26と、第15磁性層25と第16磁性層26との間に設けられた第8中間層18Mと、を含む。例えば、第15磁性層25の材料は、第3磁性層13の材料とは異なる。第15磁性層25の磁歪定数の極性は、第3磁性層13の磁歪定数の極性と逆である。第3磁性層13の磁歪定数は正及び負の一方である。第15磁性層25の磁歪定数は正及び負の他方である。第16磁性層26には、例えば、第4磁性層14に用いられる材料が用いられる。第8中間層18Mには、第4中間層14Mに用いられる材料が用いられる。
第1磁性層11、第3磁性層13、第5磁性層15、第7磁性層17、第9磁性層19、第11磁性層21、第13磁性層23及び第15磁性層25は、例えば、磁化自由層である。
第2磁性層12、第4磁性層14、第6磁性層16、第8磁性層18、第10磁性層20、第12磁性層22、第14磁性層24及び第16磁性層26は、例えば、磁化固定層(例えば参照層)である。
例えば、磁化自由層と保持部70sとの間に磁化固定層が配置されても良い。例えば、磁化固定層と保持部70sとの間に磁化自由層が配置されても良い。例えば、磁化自由層と膜部70dとの間に磁化固定層が配置されても良い。例えば、磁化固定層と膜部70dとの間に磁化自由層が配置されても良い。
上記のように、この例では、第1検知素子51の参照層(第2磁性層12)の磁化ベクトルと同じ向きの磁化ベクトルと有する検知素子(第5検知素子55)が、保持部70sの上に、設けられる。さらに、第1検知素子51の参照層(第2磁性層12)の磁化ベクトルと逆向きの磁化ベクトルを有する検知素子(第3検知素子53及び第7検知素子57)が、保持部70sに設けられる。
磁化の方向が互いに逆向きの磁性層(参照層)を有する2つの検知素子においては、磁場の変化に対して、逆極性の電気抵抗の変化が生じる。第3検知素子53及び第7検知素子57における磁場に対する電気抵抗の変化の極性は、第1検知素子51及び第5検知素子55における磁場に対する電気抵抗の変化の極性とは異なる。
さらに、第2検知素子52の磁化自由層(第3磁性層13)の磁歪定数の極性と同じ極性の磁歪定数と有する検知素子(第6検知素子56)が、膜部70dの上に、設けられる。さらに、第2検知素子52の磁化自由層(第3磁性層13)の磁歪定数の極性とは異なる極性の磁歪定数を有する検知素子(第4検知素子54及び第8検知素子58)が、膜部70dの上に設けられる。
例えば、正の磁歪定数を有する材料においては、磁化は、引っ張り歪みが印加された方向に沿うように、変化する。負の磁歪定数を有する材料において、磁化は、圧縮歪みが印加された方向に沿うように、変化する。磁歪定数が互いに異なる磁性層(磁化自由層)を有する2つの検知素子においては、同じの歪が印可されたときに、逆極性の電気抵抗の変化が生じる。第4検知素子54及び第8検知素子58における歪に対する電気抵抗の変化の極性は、第2検知素子52及び第6検知素子56における歪に対する電気抵抗の変化の極性とは異なる。
このような検知素子により、例えば、ブリッジ回路が形成できる。
図8は、第1の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。
図8に示すように、センサ120においても、処理部61は、比較回路61aと、スイッチ回路61bと、を含む。この例においては、第1定電圧源61pVと、第2定電圧源62pVと、第1差動回路61Apと、第2差動回路62Apと、が設けられる。
図8に示すように、センサ120においても、処理部61は、比較回路61aと、スイッチ回路61bと、を含む。この例においては、第1定電圧源61pVと、第2定電圧源62pVと、第1差動回路61Apと、第2差動回路62Apと、が設けられる。
例えば、第1検知素子51と第3検知素子53とが直列に接続される。第5検知素子55と第7検知素子57とが直列に接続される。第1定電圧源61pVは、第1検知素子51及び第3検知素子53に電圧を印加する。第1定電圧源61pVは、第5検知素子55及び第7検知素子57に電圧を印加する。第1検知素子51と第3検知素子53との間の接続点が、第1差動回路61Apの第1入力に入力される。第5検知素子55と第7検知素子57との間の接続点が、第1差動回路61Apの第2入力に入力される。第1差動回路61Apの出力が、比較回路61aの入力に接続される。
例えば、第2検知素子52と第4検知素子54とが直列に接続される。第6検知素子56と第8検知素子58とが直列に接続される。第2定電圧源62pVは、第2検知素子52及び第4検知素子54に電圧を印加する。第2定電圧源62pVは、第6検知素子56及び第8検知素子58に電圧を印加する。第2検知素子52と第4検知素子54との間の接続点が、第2差動回路62Apの第1入力に入力される。第6検知素子55と第8検知素子58との間の接続点が、第2差動回路62Apの第2入力に入力される。第2差動回路62Apの出力が、スイッチ回路61bの入力に接続される。
この例においては、例えば、ホイーストンブリッジのfull bridge構成が用いられる。例えば、第1差動回路61Apと、比較回路61aの入力と、の間に、全波整流回路61dが設けられる。
このような回路により、感度を向上できるセンサが提供できる。
以下、全波整流回路61dの例について説明する。
図9(a)及び図9(b)は、第1の実施形態に係るセンサの一部を例示する回路図である。
図9(a)に示すように、例えば、全波整流回路61dは、絶対値変換回路711と、2乗除算回路712と、積分回路713と、電圧フォロワ回路714と、を含む。入力電圧Vin(入力信号)が、絶対値変換回路711に入力される。絶対値変換回路711は、入力電圧Vinを絶対値|Vin|に変換する。絶対値変換回路711の出力が、2乗除算回路712に入力される。2乗除算回路712は、絶対値|Vin|を2乗して実効値で除算した値を出力する。2乗除算回路712の出力が積分回路713に入力される。積分回路713は、2乗除算回路712の出力を所定期間において積分した積分値を出力する。積分回路713の出力が電圧フォロワ回路714に入力される。電圧フォロワ回路714の出力が、積分回路713にフォードバックされる。電圧フォロワ回路714の出力が、全波整流回路61dの出力電圧VRMS(出力信号)となる。
図9(a)及び図9(b)は、第1の実施形態に係るセンサの一部を例示する回路図である。
図9(a)に示すように、例えば、全波整流回路61dは、絶対値変換回路711と、2乗除算回路712と、積分回路713と、電圧フォロワ回路714と、を含む。入力電圧Vin(入力信号)が、絶対値変換回路711に入力される。絶対値変換回路711は、入力電圧Vinを絶対値|Vin|に変換する。絶対値変換回路711の出力が、2乗除算回路712に入力される。2乗除算回路712は、絶対値|Vin|を2乗して実効値で除算した値を出力する。2乗除算回路712の出力が積分回路713に入力される。積分回路713は、2乗除算回路712の出力を所定期間において積分した積分値を出力する。積分回路713の出力が電圧フォロワ回路714に入力される。電圧フォロワ回路714の出力が、積分回路713にフォードバックされる。電圧フォロワ回路714の出力が、全波整流回路61dの出力電圧VRMS(出力信号)となる。
図9(b)に示すように、例えば、全波整流回路61dは、電圧フォロワ回路715と、絶対値変換回路711と、2乗除算回路712と、積分回路713と、電圧フォロワ回路714と、を含む。入力電圧Vinが、電圧フォロワ回路715に入力される。電圧フォロワ回路715の出力が絶対値変換回路711に入力される。絶対値変換回路711の出力が、2乗除算回路712に入力される。2乗除算回路712の出力が積分回路713に入力される。この例では、積分回路は、抵抗と容量とを含む。積分回路713の出力が電圧フォロワ回路714に入力される。電圧フォロワ回路714の出力が、全波整流回路61dの出力電圧VRMSとなる。
図9(a)及び図9(b)に例示した回路は、例えば、RMS/DCコンバータである。RMS/DCコンバータにおいては、入力された信号の実効値に対応する直流電圧(DC)を出力する。入力信号が交流信号である場合は、その交流信号を、その交流信号の実効値を有する直流信号に変換する。
例えば、センサ110の検知対象は、軸受を含む。軸受は、例えば、ベアリング及び潤滑材を介して、内外輪と接続されている。例えば、軸受の取付誤差などによって異常な過剰が加わった場合に、内外輪の軌道面が損傷する。損傷した軌道面と、ベアリングと、の衝突が生じる。これにより、異常な音波が生じる場合がある。軸受の故障音を検知することによって、故障の予測ができる。軸受の周辺には電動機が配置される。このため、このような用途においても、磁場の影響が大きい。このような用途に、実施形態を適用できる。
(第2の実施形態)
図10は、第2の実施形態に係るセンサシステムを例示する模式図である。
図10に示すように、本実施形態に係るセンサシステム150は、上記の実施形態に係るいずれかのセンサと、通信部65と、を含む。この例では、センサ110が用いられている。
図10は、第2の実施形態に係るセンサシステムを例示する模式図である。
図10に示すように、本実施形態に係るセンサシステム150は、上記の実施形態に係るいずれかのセンサと、通信部65と、を含む。この例では、センサ110が用いられている。
通信部65は、例えば、センサ110の出力を送信する。送信(通信)は、有線または無線の任意の方法により行われる。無線の方法は、電波及び光(赤外線を含む)の少なくともいずれかを用いる方法を含む。センサシステム150によれば、例えば、検出対象(例えば電動機など)の故障の予測に使われる信号を便利に入手できる。高感度の検知ができる。実施形態によれば、感度を向上できるセンサシステムが提供できる。
(第3の実施形態)
図11は、第3の実施形態に係る電導装置を例示する模式図である。
図11に示すように、本実施形態に係る電導装置180は、上記の実施形態に係るいずれかのセンサと、電動機181と、を含む。電動機181は、磁石181aと、部材181bと、を含む。部材181bは、磁石181aの変位に基づいて、変位及び回転のいずれかの運動を行う。磁石181aは、電磁石を含む。例えば、磁石181aの変位に基づいて、部材181bは、変位する。例えば、部材181bは、振動する。例えば、磁石181aの変位に基づいて、部材181bは、回転する。部材181bは、回転する軸である。
図11は、第3の実施形態に係る電導装置を例示する模式図である。
図11に示すように、本実施形態に係る電導装置180は、上記の実施形態に係るいずれかのセンサと、電動機181と、を含む。電動機181は、磁石181aと、部材181bと、を含む。部材181bは、磁石181aの変位に基づいて、変位及び回転のいずれかの運動を行う。磁石181aは、電磁石を含む。例えば、磁石181aの変位に基づいて、部材181bは、変位する。例えば、部材181bは、振動する。例えば、磁石181aの変位に基づいて、部材181bは、回転する。部材181bは、回転する軸である。
電動機181から、磁界181p及び音波181qが生じる。磁界181p及び音波181qが、センサ110に加わる。第1検知素子51において、磁界181pに対応する第1信号Sg1が得られる。第2検知素子52において、磁界181p及び音波181qに対応する第2信号Sg2が得られる。これらの信号が、処理部61により処理される。
電導装置180によれば、高感度で音波が検知され、例えば、故障の予測を高い感度で実施できる。
以下、検知素子の例について説明する。
磁化自由層(第1磁性層11及び第3磁性層13)には、強磁性体材料が用いられる。磁化自由層には、例えば、Fe、Co、Niを含む強磁性体材料が用いられる。磁化自由層は、例えばFeCo合金及びNiFe合金の少なくともいずれかを含む。磁化自由層は、Co−Fe−B合金、Fe−Co−Si−B合金、λs(磁歪定数)が大きいFe−Ga合金、Fe−Co−Ga合金、Tb−M−Fe合金、Tb−M1−Fe−M2合金、Fe−M3−M4−B合金、Ni、Fe−Al、または、フェライト等を含む。これらの材料においては、例えば、λs(磁歪定数)が大きい。上記のTb−M−Fe合金において、Mは、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho及びErよりなる群から選択された少なくとも1つである。上記のTb−M1−Fe−M2合金において、M1は、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho及びErよりなる群から選択された少なくとも1つである。M2は、Ti、Cr、Mn、Co、Cu、Nb、Mo、W及びTaよりなる群から選択された少なくとも1つである。上記のFe−M3−M4−B合金において、M3は、Ti、Cr、Mn、Co、Cu、Nb、Mo、W及びTaよりなる群から選択された少なくとも1つである。M4は、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy及びErよりなる群から選択された少なくとも1つである。上記のフェライトは、Fe3O4、及び、(FeCo)3O4などを含む。磁化自由層の厚さは、例えば2nm以上である。
磁化自由層(第1磁性層11及び第3磁性層13)には、強磁性体材料が用いられる。磁化自由層には、例えば、Fe、Co、Niを含む強磁性体材料が用いられる。磁化自由層は、例えばFeCo合金及びNiFe合金の少なくともいずれかを含む。磁化自由層は、Co−Fe−B合金、Fe−Co−Si−B合金、λs(磁歪定数)が大きいFe−Ga合金、Fe−Co−Ga合金、Tb−M−Fe合金、Tb−M1−Fe−M2合金、Fe−M3−M4−B合金、Ni、Fe−Al、または、フェライト等を含む。これらの材料においては、例えば、λs(磁歪定数)が大きい。上記のTb−M−Fe合金において、Mは、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho及びErよりなる群から選択された少なくとも1つである。上記のTb−M1−Fe−M2合金において、M1は、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho及びErよりなる群から選択された少なくとも1つである。M2は、Ti、Cr、Mn、Co、Cu、Nb、Mo、W及びTaよりなる群から選択された少なくとも1つである。上記のFe−M3−M4−B合金において、M3は、Ti、Cr、Mn、Co、Cu、Nb、Mo、W及びTaよりなる群から選択された少なくとも1つである。M4は、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy及びErよりなる群から選択された少なくとも1つである。上記のフェライトは、Fe3O4、及び、(FeCo)3O4などを含む。磁化自由層の厚さは、例えば2nm以上である。
磁化自由層は、ホウ素を含んでも良い。磁化自由層は、例えば、Fe、Co及びNiよりなる群から選択される少なくとも一つの元素と、ホウ素(B)とを含む合金を含んでも良い。磁化自由層は、例えば、Co−Fe−B合金、または、Fe−B合金を含む。磁化自由層は、例えば、Co40Fe40B20合金を含む。磁化自由層が、Fe、Co及びNiよりなる群から選択される少なくとも一つの元素と、ホウ素(B)とを含む合金を含む場合、磁化自由層は、Ga、Al、Si、または、Wなどをさらに含んでも良い。磁化自由層におけるホウ素濃度は、例えば、5at.%以上35at.%以下であり、10at.%以上30at.%以下が好ましい。
磁化自由層は、Fe1−yBy(0<y≦0.3)、または(FezX1−a)1−yBy(Xは、CoまたはNi、0.8≦z<1、0<y≦0.3)を含んでも良い。磁化自由層は、例えば、Fe80B20(4nm)を含む。磁化自由層は、Co40Fe40B20(0.5nm)/Fe80B20(4nm)を含む。
磁化固定層(例えば、第2磁性層12及び第4磁性層14)は、例えば、Co−Fe−B合金を含む。磁化固定層は、例えば、(CoxFe100−x)100−yBy合金(xは、0at.%以上100at.%以下であり、yは、0at.%以上30at.%以下)を含む。磁化固定層は、例えば、Fe−Co合金を含んでも良い。
磁化固定層は、例えば、fcc構造のCo90Fe10合金、または、hcp構造のCo、または、hcp構造のCo合金を含んでも良い。磁化固定層は、例えば、Co、Fe及びNiよりなる群から選択された少なくとも1つを含んでも良い。磁化固定層は、例えば、これらの材料から選択された少なくとも1つの材料を含む合金を含んでも良い。磁化固定層は、例えば、bcc構造のFeCo合金材料、50%以上のコバルト組成を含むCo合金、または、50%以上のNi組成の材料(Ni合金)を含んでも良い。
磁化固定層は、例えば、Co2MnGe、Co2FeGe、Co2MnSi、Co2FeSi、Co2MnAl、Co2FeAl、Co2MnGa0.5Ge0.5、及び、Co2FeGa0.5Ge0.5などのホイスラー磁性合金層を含んでも良い。磁化固定層は、例えば、3nmの厚さのCo40Fe40B20層を含んでも良い。
中間層(例えば、第1中間層11M及び第2中間層12M)は、例えば、金属、絶縁体または半導体を含む。この金属は、例えば、Cu、AuまたはAg等を含む。中間層が金属を含む場合、中間層の厚さは、例えば、1nm以上7nm以下程度である。中間層の絶縁体または半導体は、例えば、マグネシウム酸化物(MgO等)、アルミニウム酸化物(Al2O3等)、チタン酸化物(TiO等)、亜鉛酸化物(ZnO等)、または、ガリウム酸化物(Ga−O)などを含む。中間層が絶縁体または半導体を含む場合は、中間層の厚さは、例えば0.6nm以上2.5nm以下程度である。中間層は、例えば、CCP(Current-Confined-Path)スペーサ層を含んでも良い。CCPスペーサ層は、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)の絶縁層中に銅(Cu)メタルパスが形成された構造を有する。例えば、中間層は、1.6nmの厚さのMgO層を含む。
(第4の実施形態)
図12は、第4の実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
図13は、第4の実施形態に係るセンサを例示する模式的平面図である。
これらの図は、本実施形態に係るセンサに含まれる要素を例示している。
図12及び図13に示すように、センサ160は、膜部70d、第1検知素子51及び第2検知素子52に加え、筐体330をさらに含む。筐体330は、第1検知素子51及び第2検知素子52の周りに設けられる。この例では、処理部61及び複数の端子340が、筐体330の中に設けられている。処理部61は、例えばASIC(application specific integrated circuit)である。
図12は、第4の実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
図13は、第4の実施形態に係るセンサを例示する模式的平面図である。
これらの図は、本実施形態に係るセンサに含まれる要素を例示している。
図12及び図13に示すように、センサ160は、膜部70d、第1検知素子51及び第2検知素子52に加え、筐体330をさらに含む。筐体330は、第1検知素子51及び第2検知素子52の周りに設けられる。この例では、処理部61及び複数の端子340が、筐体330の中に設けられている。処理部61は、例えばASIC(application specific integrated circuit)である。
この例では、筐体330は、基板331及びカバー332を含む。基板331に複数の端子340が設けられている。カバー332には、アコースティックホール333がある。例えば、音波181qは、アコースティックホール333を通って、カバー332の内部に進入する。例えば、膜部70dが基板331上に設けられる。第1検知素子51及び第2検知素子52と、処理部61と、が、配線331aにより電気的に接続される。複数の端子340として、第1端子341、第2端子342、第3端子343、第4端子344及び第5端子345が設けられている。複数の端子340の少なくとも一部と、処理部61と、が、配線331bにより電気的に接続される。
例えば、第1端子341はしきい値設定のために用いられる。例えば、第2端子342は電源と電気的に接続される。例えば、第3端子343及び第4端子344は、それぞれアウトプット端子(Output+/Output−)となる。例えば、第5端子345は接地される。
例えば、膜部70d、第1検知素子51及び第2検知素子52と、筐体330と、の間に空間が設けられる。例えば、膜部70d、第1検知素子51及び第2検知素子52と、基板331と、の間に空間が形成される。例えば、膜部70d、第1検知素子51及び第2検知素子52と、カバー332と、の間に空間が形成される。例えば、膜部70dなどが保護される。安定して膜部70dが変形できる。膜部70d、第1検知素子51及び第2検知素子52は、基板331とカバー332との間に配置される。
(第5の実施形態)
図14は、第5の実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
図14に示すように、本実施形態に係るセンサ161においても、膜部70d、第1検知素子51及び第2検知素子52に加え、筐体330(例えば基板331及びカバー332)が設けられている。この例では、基板331にアコースティックホール333aが設けられている。
図14は、第5の実施形態に係るセンサを例示する模式的断面図である。
図14に示すように、本実施形態に係るセンサ161においても、膜部70d、第1検知素子51及び第2検知素子52に加え、筐体330(例えば基板331及びカバー332)が設けられている。この例では、基板331にアコースティックホール333aが設けられている。
図15は、実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図15は、処理部61の例を示している。この例では、処理部61は、増幅回路351と、増幅機能付き状態判定回路352と、ADコンバータ353と、を含む。第1検知素子51の出力が増幅回路351に入力される。増幅回路351の出力は、増幅機能付き状態判定回路352に入力される。第2検知素子52の出力が増幅機能付き状態判定回路352に入力されている。さらに、増幅機能付き状態判定回路352の出力が、ADコンバータ353に入力される。ADコンバータ353の出力が、出力信号61oとなる。
図15は、処理部61の例を示している。この例では、処理部61は、増幅回路351と、増幅機能付き状態判定回路352と、ADコンバータ353と、を含む。第1検知素子51の出力が増幅回路351に入力される。増幅回路351の出力は、増幅機能付き状態判定回路352に入力される。第2検知素子52の出力が増幅機能付き状態判定回路352に入力されている。さらに、増幅機能付き状態判定回路352の出力が、ADコンバータ353に入力される。ADコンバータ353の出力が、出力信号61oとなる。
図16は、実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図16において、処理部61は、増幅回路351と、増幅機能付き状態判定回路352と、を含む。このセンサは、例えばアナログセンサとして用いられる。
図16において、処理部61は、増幅回路351と、増幅機能付き状態判定回路352と、を含む。このセンサは、例えばアナログセンサとして用いられる。
図17は、実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図17は、処理部61の例を示している。処理部61は、全波整流回路61dと、比較回路61aと、出力部61cと、を含む。第1検知素子51の出力が、全波整流回路61dに入力される。全波整流回路61は、例えば、RMS/DCコンバータである。全波整流回路61の出力が、比較回路61aに入力される。比較回路61aの出力が、出力部61cに入力される。第2検知素子52の出力が、出力部61cに入力される。比較回路61aの出力により、出力部61cにおける増幅率が変化する。例えば、出力部61cとして、オペレーショナル・アンプリファイア(OPアンプ)などが用いられる場合、例えば、OPアンプの反転入力端子に接続される抵抗の抵抗値が、比較回路61aの出力により変化する。これにより、比較回路61aの出力により、増幅率が変化する。
図17は、処理部61の例を示している。処理部61は、全波整流回路61dと、比較回路61aと、出力部61cと、を含む。第1検知素子51の出力が、全波整流回路61dに入力される。全波整流回路61は、例えば、RMS/DCコンバータである。全波整流回路61の出力が、比較回路61aに入力される。比較回路61aの出力が、出力部61cに入力される。第2検知素子52の出力が、出力部61cに入力される。比較回路61aの出力により、出力部61cにおける増幅率が変化する。例えば、出力部61cとして、オペレーショナル・アンプリファイア(OPアンプ)などが用いられる場合、例えば、OPアンプの反転入力端子に接続される抵抗の抵抗値が、比較回路61aの出力により変化する。これにより、比較回路61aの出力により、増幅率が変化する。
比較回路61aへの入力がしきい値よりも低い場合に、出力部61cの増幅率が高い。このとき、出力部61cから、第2検知素子52から得られる第2信号Sg2(高い増幅率)が、出力信号61oとして、出力される。一方、比較回路61aへの入力がしきい値以上の場合は、出力部61cの増幅率が低い。このとき、出力部61cの出力は、比較回路61aへの入力がしきい値よりも低い場合の出力信号よりも小さい。すなわち、出力部61cの出力は、上記の記の出力信号とは異なる。
図18は、実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図18に示すように、上記の比較回路61aの動作は、例えば、情報処理によって行っても良い。例えば、第1検知素子51の出力をモニタし、出力をしきい値と比較する。出力がしきい値よりも低い場合は、第2検知素子52から得られる第2信号Sg2の増幅率が高く設定される。出力がしきい値以上の場合は、第2検知素子52から得られる第2信号Sg2の増幅率が低く設定される。
図18に示すように、上記の比較回路61aの動作は、例えば、情報処理によって行っても良い。例えば、第1検知素子51の出力をモニタし、出力をしきい値と比較する。出力がしきい値よりも低い場合は、第2検知素子52から得られる第2信号Sg2の増幅率が高く設定される。出力がしきい値以上の場合は、第2検知素子52から得られる第2信号Sg2の増幅率が低く設定される。
実施形態は、例えば、以下の構成(例えば特徴)を含む。
(構成1)
支持部と、
前記支持部に支持され変形する膜部と、
前記支持部に固定され、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検知素子と、
前記膜部に固定され、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、を含む第2検知素子と、
前記第1検知素子から得られる第1信号が第1状態のときに前記第2検知素子から得られる第2信号に基づく出力信号を出力する、処理部と、
を備え、
前記第1信号が前記第1状態とは異なる第2状態のときの前記処理部の出力は、前記出力信号とは異なる、センサ。
(構成2)
支持部と、
前記支持部に支持され変形する膜部と、
前記支持部に固定され、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に第1中間層と、を含む第1検知素子と、
前記膜部に固定され、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、を含む第2検知素子と、
前記第1検知素子から得られる第1信号が第1状態のときに、前記第2検知素子から得られる第2信号に基づいて検知を行う、処理部と、
を備えたセンサ。
(構成3)
支持部と、
前記支持部に支持され変形する膜部と、
前記支持部に固定され、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検知素子と、
前記膜部に固定され、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、を含む第2検知素子と、
前記第1検知素子から得られる第1信号が第1状態のときに前記第2検知素子から得られる第2信号に基づく出力信号を出力する処理部と、
を備えたセンサ。
(構成4)
前記第1状態における前記第1信号の振幅は、前記第2状態における前記第1信号の振幅よりも小さい、構成1〜3のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成5)
前記第1状態における前記第1信号の振幅は、しきい値よりも小さく、
前記第2状態における前記第1信号の振幅は、前記しきい値以上である、構成1〜4のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成6)
前記処理部は、比較回路と、スイッチ回路と、を含み、
前記比較回路は、前記第1信号と基準値とを比較し、
前記スイッチ回路は、前記比較の出力に基づいて、前記第2検知素子に供給される電流を開閉する、構成1〜5のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成7)
前記処理部は、比較回路と、スイッチ回路と、出力部と、を含み、
前記比較回路は、前記第1信号と基準値とを比較し、
前記スイッチ回路は、前記比較の出力に基づいて、前記第2検知素子と前記出力部との間の経路を開閉する、構成1〜5のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成8)
前記第1信号は、第1周波数の成分を含み、
前記第2信号は、前記第1周波数よりも高い第2周波数の成分を含む、構成1〜7のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成9)
前記第1信号は、前記第1周波数の成分をさらに含む、構成8記載のセンサ。
(構成10)
前記第2周波数は、前記第1周波数の20倍以上2000倍以下である、構成8または9記載のセンサ。
(構成11)
前記第1周波数は、100Hz以上800Hz以下であり、
前記第2周波数は、20kHz以上200KHz以下である、構成8〜10のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成12)
前記第1信号は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間の第1抵抗に対応し、
前記第2信号は、前記第3磁性層と前記第4磁性層との間の第2抵抗に対応する、構成する1〜11のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成13)
前記第1信号は、前記第1検知素子が受ける磁界の変化に対応する第1成分を含み、
前記第2信号は、前記膜部の変形に対応する第2成分を含む、構成1〜12のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成14)
前記第2信号は、前記第1成分をさらに含む、構成13記載のセンサ。
(構成15)
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は、前記磁界の変化に対応して変化し、
前記第3磁性層の磁化と前記第4磁性層の磁化との間の角度は、前記変形に対応して変化する、構成13または14に記載のセンサ。
(構成16)
基板と、
カバーと、
をさらに備え、
前記膜部、前記第1検知素子及び前記第2検知素子は、前記基板と前記カバーとの間に配置された、構成1〜15のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成17)
前記膜部、前記第1検知素子及び前記第2検知素子の周りに設けられた筐体をさらに備えた構成1〜15のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成18)
構成1〜17のいずれか1つに記載のセンサと、
前記センサの出力を送信する通信部と、
を備えたセンサシステム。
(構成19)
構成1〜17のいずれか1つに記載のセンサと、
電動機と、
を備え、
前記電動機は、磁石と、部材と、を含み、
前記部材は、前記磁石の変位に基づいて、変位及び回転のいずれかの運動を行い、
前記電動機から生じる磁界と音波とが前記センサに加わる、電導装置。
(構成1)
支持部と、
前記支持部に支持され変形する膜部と、
前記支持部に固定され、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検知素子と、
前記膜部に固定され、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、を含む第2検知素子と、
前記第1検知素子から得られる第1信号が第1状態のときに前記第2検知素子から得られる第2信号に基づく出力信号を出力する、処理部と、
を備え、
前記第1信号が前記第1状態とは異なる第2状態のときの前記処理部の出力は、前記出力信号とは異なる、センサ。
(構成2)
支持部と、
前記支持部に支持され変形する膜部と、
前記支持部に固定され、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に第1中間層と、を含む第1検知素子と、
前記膜部に固定され、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、を含む第2検知素子と、
前記第1検知素子から得られる第1信号が第1状態のときに、前記第2検知素子から得られる第2信号に基づいて検知を行う、処理部と、
を備えたセンサ。
(構成3)
支持部と、
前記支持部に支持され変形する膜部と、
前記支持部に固定され、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検知素子と、
前記膜部に固定され、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、を含む第2検知素子と、
前記第1検知素子から得られる第1信号が第1状態のときに前記第2検知素子から得られる第2信号に基づく出力信号を出力する処理部と、
を備えたセンサ。
(構成4)
前記第1状態における前記第1信号の振幅は、前記第2状態における前記第1信号の振幅よりも小さい、構成1〜3のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成5)
前記第1状態における前記第1信号の振幅は、しきい値よりも小さく、
前記第2状態における前記第1信号の振幅は、前記しきい値以上である、構成1〜4のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成6)
前記処理部は、比較回路と、スイッチ回路と、を含み、
前記比較回路は、前記第1信号と基準値とを比較し、
前記スイッチ回路は、前記比較の出力に基づいて、前記第2検知素子に供給される電流を開閉する、構成1〜5のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成7)
前記処理部は、比較回路と、スイッチ回路と、出力部と、を含み、
前記比較回路は、前記第1信号と基準値とを比較し、
前記スイッチ回路は、前記比較の出力に基づいて、前記第2検知素子と前記出力部との間の経路を開閉する、構成1〜5のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成8)
前記第1信号は、第1周波数の成分を含み、
前記第2信号は、前記第1周波数よりも高い第2周波数の成分を含む、構成1〜7のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成9)
前記第1信号は、前記第1周波数の成分をさらに含む、構成8記載のセンサ。
(構成10)
前記第2周波数は、前記第1周波数の20倍以上2000倍以下である、構成8または9記載のセンサ。
(構成11)
前記第1周波数は、100Hz以上800Hz以下であり、
前記第2周波数は、20kHz以上200KHz以下である、構成8〜10のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成12)
前記第1信号は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間の第1抵抗に対応し、
前記第2信号は、前記第3磁性層と前記第4磁性層との間の第2抵抗に対応する、構成する1〜11のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成13)
前記第1信号は、前記第1検知素子が受ける磁界の変化に対応する第1成分を含み、
前記第2信号は、前記膜部の変形に対応する第2成分を含む、構成1〜12のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成14)
前記第2信号は、前記第1成分をさらに含む、構成13記載のセンサ。
(構成15)
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は、前記磁界の変化に対応して変化し、
前記第3磁性層の磁化と前記第4磁性層の磁化との間の角度は、前記変形に対応して変化する、構成13または14に記載のセンサ。
(構成16)
基板と、
カバーと、
をさらに備え、
前記膜部、前記第1検知素子及び前記第2検知素子は、前記基板と前記カバーとの間に配置された、構成1〜15のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成17)
前記膜部、前記第1検知素子及び前記第2検知素子の周りに設けられた筐体をさらに備えた構成1〜15のいずれか1つに記載のセンサ。
(構成18)
構成1〜17のいずれか1つに記載のセンサと、
前記センサの出力を送信する通信部と、
を備えたセンサシステム。
(構成19)
構成1〜17のいずれか1つに記載のセンサと、
電動機と、
を備え、
前記電動機は、磁石と、部材と、を含み、
前記部材は、前記磁石の変位に基づいて、変位及び回転のいずれかの運動を行い、
前記電動機から生じる磁界と音波とが前記センサに加わる、電導装置。
実施形態によれば、感度を向上できるセンサ、センサシステム及び電動装置が提供される。
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、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、センサに含まれる保持部(支持部)、膜部、検知素子、磁性層、中間層、電極、及び処理部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センサ、センサシステム及び電動装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのセンサ、センサシステム及び電動装置も、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。
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とその均等の範囲に含まれる。
11〜26…第1〜第16磁性層、 11M〜18M…第1〜第8中間層、 51〜58…第1〜第8検知素子、 58a〜58d…第1〜第4電極、 58i、58j…第1、第2絶縁層、 61…処理部、 61Ap…第1差動回路、 61a…比較回路、 61b…スイッチ回路、 61c…出力部、 61d…全波整流回路、 61o…出力信号、 61p…第1電流源、 61pV…第1定電圧源、 61q…第2電流源、 62Ap…第2差動回路、 62pV…第2定電圧源、 65…通信部、 70d…膜部、 70h…空洞、 70s…保持部(支持部)、 110、111、112、113、120、320、320a…センサ、 150…センサシステム、 180…電導装置、 181…電動機、 181a…磁石、 181b…部材、 181p…磁界、 181q…音波、330…筐体、 331…基板、 331a、331b…配線、 332…カバー、 333、333a…アコースティックホール、 340…端子、 341〜345…第1〜第5端子 351…増幅回路、 352…増幅機能付き状態判定回路、 353…ADコンバータ、 711…絶対値変換回路、 712…2乗除算回路、 713…積分回路、 714…電圧フォロワ回路、 715…電圧フォロワ回路、 CM1、CM2…成分、 CT…導通状態、 NC…非導通状態、 Rb1、Rb2…第1、第2固定抵抗、 ST1、ST2…第1、第2状態、 Sg1、Sg2…第1、第2信号、 VRMS…出力電圧、 Vb…基準値、 Vin…入力電圧、 Vop…電圧、 t…時間
Claims (11)
- 支持部と、
前記支持部に支持され変形する膜部と、
前記支持部に固定され、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検知素子と、
前記膜部に固定され、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、を含む第2検知素子と、
前記第1検知素子から得られる第1信号が第1状態のときに前記第2検知素子から得られる第2信号に基づく出力信号を出力する、処理部と、
を備え、
前記第1信号が前記第1状態とは異なる第2状態のときの前記処理部の出力は、前記出力信号とは異なる、センサ。 - 支持部と、
前記支持部に支持され変形する膜部と、
前記支持部に固定され、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に第1中間層と、を含む第1検知素子と、
前記膜部に固定され、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、を含む第2検知素子と、
前記第1検知素子から得られる第1信号が第1状態のときに、前記第2検知素子から得られる第2信号に基づいて検知を行う、処理部と、
を備えたセンサ。 - 支持部と、
前記支持部に支持され変形する膜部と、
前記支持部に固定され、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検知素子と、
前記膜部に固定され、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、を含む第2検知素子と、
前記第1検知素子から得られる第1信号が第1状態のときに前記第2検知素子から得られる第2信号に基づく出力信号を出力する処理部と、
を備えたセンサ。 - 前記第1状態における前記第1信号の振幅は、前記第2状態における前記第1信号の振幅よりも小さい、請求項1〜3のいずれか1つに記載のセンサ。
- 前記第1状態における前記第1信号の振幅は、しきい値よりも小さく、
前記第2状態における前記第1信号の振幅は、前記しきい値以上である、請求項1〜4のいずれか1つに記載のセンサ。 - 前記第1信号は、第1周波数の成分を含み、
前記第2信号は、前記第1周波数よりも高い第2周波数の成分を含む、請求項1〜5のいずれか1つに記載のセンサ。 - 前記第1信号は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間の第1抵抗に対応し、
前記第2信号は、前記第3磁性層と前記第4磁性層との間の第2抵抗に対応する、請求項1〜6のいずれか1つに記載のセンサ。 - 基板と、
カバーと、
をさらに備え、
前記膜部、前記第1検知素子及び前記第2検知素子は、前記基板と前記カバーとの間に配置された、請求項1〜7のいずれか1つに記載のセンサ。 - 前記膜部、前記第1検知素子及び前記第2検知素子の周りに設けられた筐体をさらに備えた請求項1〜7のいずれか1つに記載のセンサ。
- 請求項1〜9のいずれか1つに記載のセンサと、
前記センサの出力を送信する通信部と、
を備えたセンサシステム。 - 請求項1〜9のいずれか1つに記載のセンサと、
電動機と、
を備え、
前記電動機は、磁石と、部材と、を含み、
前記部材は、前記磁石の変位に基づいて、変位及び回転のいずれかの運動を行い、
前記電動機から生じる磁界と音波とが前記センサに加わる、電導装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US15/247,957 US20170074949A1 (en) | 2015-09-10 | 2016-08-26 | Sensor, sensor system, and electric motor device |
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Publications (1)
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2016
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