JP3614588B2

JP3614588B2 - 高感度応力検出装置

Info

Publication number: JP3614588B2
Application number: JP32636096A
Authority: JP
Inventors: 佳年雄毛利
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: JPH10170355A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、応力を検出する高感度のマイクロセンサや応力で動作する計測、制御用の高感度応力検出素子（高感度応力検出装置）に関する。
【０００２】
詳しくは、工業用ロボットの触覚センサをはじめ、工業計測用、家電用、科学計測用、オートメーション用などの張力センサ、圧力センサ、トルクセンサ、歪みゲージ、ノックセンサ、タッチセンサ、霜センサ、地震センサ、重力センサ、音響センサ、流量センサ、風速センサ、ロードセルなどの広範囲のマイクロ応力センサやマイクロ応力スイッチに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
工業用ロボットや自動車・交通システム、メカトロニクス、パワーエレクトロニクス、工場自動化システム、家電機器、コンピュータ・情報・オフィスオートメーション機器、医療福祉機器、防災・環境計測システムなど、社会のあらゆる分野における情報化・知能化・自動化システムをさらに高度化するためには、種々の高性能のマイクロ力学量センサやマイクロ力学量スイッチデバイスが必要である。
【０００４】
力学量は、変位・距離、回転角、速度、加速度、振動などの物体の移動に伴う量や、張力、圧縮力・圧力、回転力（トルク）、衝撃力などの応力に伴う量であり、磁性体、半導体、誘電体などの材料を用いた種々の力学量センサが使用されている。
【０００５】
この中で、コイルや磁性体を用いた力学量センサは、磁力線（磁界）を媒介とした非接触センシングや放射線、比較的高温の環境下でも安定に動作する高信頼性などの特徴を有するため、ロータリエンコーダ、自動車の速度センサ、加速度センサ、方位センサ、差動変圧器形変位センサ、ソレノイド形変位センサ・圧力センサ、磁気スケール、リードスイッチなどの耐環境性に優れたメカトロニクス用や工業計測制御用のセンサやスイッチとして広範に使用されている。また、磁気式トルクセンサも種々開発されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来の磁気式力学量センサやスイッチなどは、一般に磁芯と多数回巻きコイルを有すること、およびコイル励磁では磁芯内の反磁界のため、半導体や誘電体を用いたセンサに比してマイクロ寸法化が困難であった。
【０００７】
本願発明者は、既に磁気−インピーダンス効果素子（ＭＩ素子）を提案している（例えば、特開平７−１８１２３９号公報参照）。
【０００８】
このＭＩ効果は、アモルファスワイヤなどの高透磁率磁性体に高周波電流やパルス電流を通電して表皮効果を生じさせた状態で、外部磁界により磁性体のインピーダンスを敏感に変化させるようにしたものである。
【０００９】
このＭＩ効果では、磁性体内部に反磁界がほとんど発生しないので、フラックスゲートセンサと異なり、磁性体の長さを１ｍｍ以下に短縮しても、磁界検出感度が劣化せず、マイクロ寸法の高感度・高速応答の磁界センサが構成できる。
【００１０】
本発明は、ＭＩ効果では磁性体ヘッドのインピーダンスの大きさが励磁角周波数ωと通電電流と直角方向の透磁率μとの積の平方根√ωμに比例し、透磁率μが外部磁界によって変化することを見い出した。
【００１１】
この原理をさらに展開し、磁性体として磁歪材を用いて応力−磁気効果により透磁率μを応力σによって変化させれば、高感度のマイクロ応力センサが構成できることを直感した。
【００１２】
そこで、強靱弾性体であるアモルファス磁歪ワイヤを用いて実験を行い、予測通りのゲージ率が２００〜１３００に達する優れた結果を得たものである。この場合、アモルファスワイヤに比較的強い応力を印加してアニールを施し、異方性エネルギーを高めれば、地磁気程度の外乱磁界によって透磁率μが変化することなく、応力のみをインピーダンスの変化として検出するロバスト性が実現される。
【００１３】
また、既に、特開平８−１２８９０４号公報において、同様にアモルファスワイヤによって応力の検出ができることが実施例に示されているが、そのゲージ率は６３程度であり、従来の半導体ストレンゲージのゲージ率約２００より低く、１／３程度であり、高感度応力測定法とは言い難い。
【００１４】
本発明は、従来の磁性体センサと異なる新原理によって、力学量センサヘッドのマイクロ化および高感度・高速応答化を実現することができる高感度応力検出装置を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明は、上記問題点を除去し、力学量センサヘッドのマイクロ化および高感度・高速応答化を実現することができる、つまり、ゲージ率が高く、応力に対して敏感に反応することができる高感度応力検出装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕高感度応力検出装置であって、長さ方向に応力を印加した状態で加熱後、冷却処理を施した負磁歪のＣｏ _72.5 Ｓｉ _12.5 Ｂ ₁₅ アモルファス磁性体に交流電流を通電した状態で応力に対して前記磁性体のインピーダンスを変化させ、ゲージ率を３００以上としたものである。
【００１７】
〔２〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装置において、前記交流電流として、高周波電流またはパルス電流を用いるようにしたものである。
【００１８】
〔３〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装置において、前記応力は張力や圧縮力、トルクまたは衝撃力である。
【００１９】
〔４〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装置において、前記アモルファス磁性体として、アモルファス磁歪リボン、アモルファススパッタ磁歪厚膜、又はアモルファスメッキ磁歪膜を用いるようにしたものである。
【００２０】
〔５〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装置において、前記アモルファス磁性体として、アモルファスワイヤを用いるようにしたものである。
【００２１】
〔６〕上記〔５〕記載の高感度応力検出装置において、前記アモルファスワイヤは直径が１００μｍ以下である。
【００２２】
〔７〕上記〔１〕記載の高感度応力検出装置において、前記交流電流として、半導体発振回路の電流を用いるようにしたものである。
【００２３】
〔８〕上記〔７〕記載の高感度応力検出装置において、前記半導体発振回路として、ＣＭＯＳマルチバイブレータ回路を用いるようにしたものである。
【００２４】
上記のように構成したので、本発明によれば、種々の高感度・高速応答のマイクロ寸法応力センサが構成され、従来検出が困難であった微小な張力、圧縮力、圧力、トルク、衝撃力、気体や液体の流速、流量、衝撃波、地震波、重力分布、機械振動などを容易に検出することができる。
【００２５】
特に、アモルファス磁歪リボンやアモルファススパッタ磁歪厚膜、アモルファスメッキ磁歪膜などでも、表皮効果を生じさせることにより、顕著に応力検出を行うことができる。
【００２６】
また、このＳＩ素子をＣＭＯＳマルチバイブレータなどの半導体回路と組み合わせ、ハイブリッド集積回路（ＨＩＣ）技術などでチップ化し、人やロボットの腕、手、指関節などに固定することにより、バーチャルリアリティ（ＶＲ）や義手の高性能化、自立ロボットの構成などの多くの先端メカニカル技術が飛躍的に発展すると考えられる。
【００２７】
更に、アモルファス磁歪ワイヤで人工触覚センサなどのマイクロ応力センサを構成して、マイクロマシンに結合させることにより、これまでの自立性のなかったマイクロマシンの知能化を実現し、人工昆虫などの新技術に貢献することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２９】
〔実施例１〕
図１は本発明の第１実施例を示す高感度応力検出装置とその回路図、図２はその高感度応力検出装置の応力による電圧振幅変化の周波数特性図（その１）である。
【００３０】
図１において、１は負磁歪のＣｏ_72.5Ｓｉ_12.5Ｂ₁₅アモルファスワイヤ（直径３０μｍ、長さ２０ｍｍ、回転水中超急冷法で作製した直径１３０μｍのアモルファスワイヤを線引きした後、４ｋｇ／ｍｍ²の張力を与えた状態で、４７５℃、２分の加熱後、室温へ急冷させたアモルファスワイヤ、磁歪＝−３×１０^-6）であり、このアモルファスワイヤ１に正弦波交流電源２を接続する。なお、３は交流電流の振幅を一定に保つ内部抵抗である。
【００３１】
図２は、そのアモルファスワイヤ１に張力を印加し、正弦波交流電源２より、周波数ｆ、振幅１５ｍＡの正弦波交流電流を通電させた時のワイヤ両端間の電圧の振幅Ｅｍの測定結果である。
【００３２】
この図から明らかなように、アモルファスワイヤ１に約６ｋｇ／ｍｍ²〔６０ＭＰａ（メガパスカル）〕の張力Ｆを印加すると、周波数ｆが５０ｋＨｚから１ＭＨｚの周波数範囲でアモルファスワイヤ１の両端間電圧の振幅Ｅｍは上昇し、１ＭＨｚから約２０ＭＨｚの範囲では減少した。５０ｋＨｚ以上ではアモルファスワイヤ１両端間電圧の振幅Ｅｍは周波数ｆの増加とともに増加しており、アモルファスワイヤ１に表皮効果が現れていることが分かる。
【００３３】
図３は本発明の第１実施例で示す高感度応力検出装置のｆ＝４００ｋＨｚおよび２０ＭＨｚにおける応力による電圧振幅変化（その２）を示す図である。
【００３４】
この実施例では、図２で用いたＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ及び正磁歪をもつ〔（Ｆｅ_0.5Ｃｏ_0.5）_72.5Ｓｉ_12.5Ｂ₁₅、直径３０μｍ、長さ２０ｍｍ、磁歪＝５×１０^-6〕アモルファスワイヤに４００ｋＨｚ及び２０ＭＨｚ、振幅２０ｍＡの正弦波電流を通電し、引っ張り荷重Ｗを印加した場合のワイヤ両端間電圧の振幅Ｅｍの変化率を測定した結果である。
【００３５】
ｆ＝２０ＭＨｚの場合、ＣｏＳｉＢワイヤでは、１ｇの荷重（１３ＭＰａの張力）で、上記ワイヤ両端間電圧の振幅Ｅｍが２０％減少している。ＣｏＳｉＢアモルファスワイヤは最大抗張力３０６ＭＰａ，最大歪み（伸び率）３．４％であるので、その歪みゲージ率（電磁気量の変化率／伸び率）は１２８６となる。これは従来の最高感度をもつ半導体歪みゲージのゲージ率約２００の約６．５倍の極めて高い値である。ＦｅＣｏＳｉＢワイヤでも、ゲージ率は約４００であり、張力アニールを施した細いアモルファスワイヤは、著しく高いゲージ率を示すことが分かる。
【００３６】
図４は図３で用いたアモルファスワイヤの電圧がワイヤ長さ方向の外乱直流磁界で受ける影響を調べた結果を示す図であり、図４（ａ）はＦｅＣｏＳｉＢワイヤ、図４（ｂ）はＣｏＳｉＢワイヤの場合である。
【００３７】
図４（ａ）に示すように、ＦｅＣｏＳｉＢワイヤは±２エルステッド（Ｏｅ）の磁界に対しては、その影響は略零である。
【００３８】
また、図４（ｂ）に示すように、ＣｏＳｉＢワイヤは、張力零で微小な磁界でも影響を受けるが、１０ＭＰａのバイアス張力を与えれば、±１Ｏｅの磁界では、ほとんど影響を受けない。したがって、地磁気（約０．３Ｏｅ）程度の磁界の影響は受けないことが分かった。
【００３９】
〔実施例２〕
図５は本発明の第２実施例を示すパルス通電におけるＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ電圧の張力特性図である。
【００４０】
ここで、パルス電流は、パルス発生電源を用い、高さ４０ｍＡ、幅７．２ナノ秒（ｎｓ）、繰り返し周波数１００ｋＨｚを与えた。アモルファスワイヤ両端間の誘起パルス電圧の高さＥは、１ｇの荷重で１０％の減少を示した。この範囲は、ゲージ率は図３の場合より小さいが、約６４０であり、半導体ストレインゲージのゲージ率の３倍強である。
【００４１】
この実施例から明らかなように、鋭いパルス電流を印加することにより、高周波正弦波電流を通電した場合と同様に表皮効果が生じて、応力−インピーダンス効果（ＳＩ効果）が敏感に発生することが分かった。パルス電流は多くの高調波を含むが、正弦波に対応させる場合はパルスの立ち上がり（または立ち下がり）時間の逆数の周波数が考慮される。パルス電流の立ち上がり時間が約４ナノ秒であるので、その逆数は２５０ＭＨｚであり、十分高周波であるので、図２から、ワイヤ電圧は張力によって減少することになる。
【００４２】
〔実施例３〕
図６は本発明の第３実施例を示す図５の実験結果を基に、ＣＭＯＳＩＣチップ１０の中の２個のインバータＱ₁，Ｑ₂にＲ，Ｃを接続してマルチバイブレータを構成し、ＣＭＯＳインバータのスイッチング時に発生する電源ラインの鋭いパルス電流をアモルファスワイヤ１１に通電する方式の高感度応力検出装置の構成図であり、図７にその高感度応力検出装置（応力センサ）の応力検出の結果を示している。
【００４３】
アモルファスワイヤ１１の誘起パルス電圧は、ショットキーバリアダイオードＳＢＤ１３をバッファとして、ＲＣピークホールド回路１４で直流電圧Ｅｏｕｔに出力電圧として変換している。因みに、ＩＣチップ１０は７４ＡＣ０４、Ｒは２０ＫΩ、Ｃは１００ｐＦ、Ｒ_Lは１０Ω、Ｃ_Hは１０００ｐＦ、Ｒ_Hは５１０ｋΩである。
【００４４】
発振周波数１４．３５ＭＨｚ、パルス幅１４ナノ秒、パルス電流高さ３０ｍＡとした場合、荷重１ｇで出力電圧Ｅｏｕｔは１５％減少しており、この応力センサのゲージ率は約９６０であり、半導体ストレインゲージのゲージ率２００の約５倍近い値である。ＦｅＣｏＳｉＢワイヤをヘッドとした場合は、ゲージ率は約１７０程度であるが、応力検出特性は高い線形性を示し、ダイナミックレンジは６ｇ（８２ＭＰａ）と広くなっている。
【００４５】
〔実施例４〕
図８は本発明の第４実施例を示す直径３０μｍのＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ２２を厚さ０．２ｍｍの石英ガラスダイアフラム２１上にスパイラル形状にアラルダイトで接着させた応力センサの構成図、図９はその応力センサの応力検出特性図である。
【００４６】
厚さ０．２ｍｍの石英ガラスダイアフラム２１上のアモルファスワイヤ２２の検波電圧は差動アンプ２３に入力し、零点補償を行っている。５０ＭＰａまでの空気圧力を、図９に示すように、ほぼ線形に検出している。なお、２４はアモルファスワイヤ２２に接続される交流電源、２５は交流電流２４の振幅を一定にするための内部抵抗Ｒ_Oであり、アモルファスワイヤ２２の検波電圧は、ショットキーバリアダイオードＳＢＤ２６をバッファとして、ＲＣピークホールド回路２７で直流電圧として変換している。
【００４７】
〔実施例５〕
図１０は本発明の第５実施例を示す石英ガラスダイアフラム３１に、スパッタ装置を用いてＦｅ₆₈Ｃｏ₁₂Ｂ₂₀のアモルファス磁歪膜を厚さ２．５μｍ厚さに形成し、ウェットエッチングにより幅１ｍｍのジグザクコイル形状のアモルファス薄膜パターン（ＳＩ素子）３２を作製した高感度応力検出装置（応力センサ）の構成図、図１１は本発明の第５実施例を示す高感度応力検出装置（応力センサ）の応力検出の結果を示す図である。
【００４８】
このＳＩ素子は直流１００ｍＡを通電した状態で、２５０℃、１時間のアニールを大気中で行い、パターン幅方向に磁気異方性を誘導させた。
【００４９】
石英ガラスダイヤフラム３１の縁を外径３０ｍｍの円管に接着して圧力を印加すると、縁近傍領域Ａと中央部領域Ｂの半径方向の応力は互いに逆になる。すなわち、ＳＩヘッドの裏面から正の圧力が印加されると、縁近傍領域Ａでは圧縮力、中央部領域Ｂでは張力が発生し、負圧力ではその逆の応力が発生する。
【００５０】
この関係に着目し、縁近傍領域Ａおよび中央部領域ＢのそれぞれのＳＩパターンに半値幅約５ナノ秒のパルス電流を印加して、表皮効果を生じさせ、縁近傍領域Ａ、中央部領域Ｂの誘起パルス電圧をそれぞれショットキーバリアダイオードＳＢＤ３３，３４と、Ｒ_p，Ｃ_pのピークホールド回路３５，３６で直流電圧に変換し、差動アンプ３７に入力させる。
【００５１】
この差動アンプ３７の出力電圧Ｖは、圧力Ｐが零の時、零になるよう可変抵抗器ＶＲ３８で調整する。圧力Ｐが印加されると、縁近傍領域Ａ、中央部領域Ｂのインピーダンスは互いに逆方向に変化するので、圧力Ｐに比例した出力電圧Ｖが得られる。
【００５２】
ＳＩに印加するパルス電流は、ＣＭＯＳインバータＱ₁，Ｑ₂と、Ｒ、Ｃによるマルチバイブレータ出力電圧の微分パルス電圧を印加することによって与えられる。
【００５３】
第３実施例（図７）と同様に、水圧を検出した結果、感度はアモルファスワイヤの場合の約５分の１であるが、安定な検出ができることが分かった。アモルファスワイヤの場合に比べて、接着の問題がない点有利である。
【００５４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５６】
（１）力学量センサヘッドのマイクロ化および高感度・高速応答化を実現することができる、つまり、ゲージ率が高く、応力に対して敏感に反応する高感度応力検出装置を提供することができる。
【００５７】
すなわち、種々の高感度・高速応答のマイクロ寸法応力センサが構成され、従来検出が困難であった微小な張力、圧縮力、圧力、トルク、衝撃力、気体や液体の流速、流量、衝撃波、地震波、重力分布、機械振動などを容易に検出することができる。
【００５８】
特に、アモルファス磁歪リボンやアモルファススパッタ磁歪厚膜、アモルファスメッキ磁歪膜などでも、表皮効果を生じさせることにより、顕著に応力検出を行うことができる。
【００５９】
（２）ＳＩ素子をＣＭＯＳマルチバイブレータなどの半導体回路と組み合わせ、ハイブリッド集積回路（ＨＩＣ）技術などでチップ化し、人やロボットの腕、手、指関節などに固定することにより、バーチャルリアリティ（ＶＲ）や義手の高性能化、自立ロボットの構成などの多くの先端メカニカル技術を飛躍的に発展させることができる。
【００６０】
（３）アモルファス磁歪ワイヤで人工触覚センサなどのマイクロ応力センサを構成して、マイクロマシンに結合させることにより、これまでの自立性のなかったマイクロマシンの知能化を実現し、人工昆虫などの新技術に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す高感度応力検出装置とその回路図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す高感度応力検出装置の応力による電圧振幅変化の周波数特性図（その１）である。
【図３】本発明の第１実施例を示す高感度応力検出装置の応力による電圧振幅変化の周波数特性図（その２）である。
【図４】図３で用いたアモルファスワイヤの電圧がワイヤ長さ方向の外乱直流磁界で受ける影響を調べた結果を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例を示すパルス通電におけるＣｏＳｉＢアモルファスワイヤ電圧の張力特性図である。
【図６】本発明の第３実施例を示すＣＭＯＳＩＣチップの中の２個のインバータにＲ，Ｃを接続してマルチバイブレータを構成し、ＣＭＯＳインバータのスイッチング時に発生する電源ラインの鋭いパルス電流をアモルファスワイヤに通電する方式を示す高感度応力検出装置の構成図である。
【図７】本発明の第３実施例を示す高感度応力検出装置（応力センサ）の応力検出の結果を示す図である。
【図８】本発明の第４実施例を示す直径３０μｍのＣｏＳｉＢアモルファスワイヤを厚さ０．２ｍｍの石英ガラスダイアフラム上にスパイラル形状にアラルダイトで接着させた高感度応力検出装置（応力センサ）の構成図である。
【図９】本発明の第４実施例を示す高感度応力検出装置（応力センサ）の応力検出の結果を示す図である。
【図１０】本発明の第５実施例を示す石英ガラスダイアフラムに、スパッタ装置を用いてＦｅ₆₈Ｃｏ₁₂Ｂ₂₀のアモルファス磁歪膜を厚さ２．５μｍ厚さに形成し、ウェットエッチングにより幅１ｍｍのジグザクコイル形状のアモルファス薄膜パターン（ＳＩ素子）を作製した高感度応力検出装置（応力センサ）の構成図である。
【図１１】本発明の第５実施例を示す高感度応力検出装置（応力センサ）の応力検出の結果を示す図である。
【符号の説明】
１，１１，２２アモルファスワイヤ
２正弦波交流電源
３，２５内部抵抗
１０ＣＭＯＳＩＣチップ
１３，２６，３３，３４ショッキキーバリアダイオードＳＢＤ
１４，２７，３５，３６ＲＣピークホールド回路
２１，３１石英ガラスダイアフラム
２３，３７差動アンプ
２４交流電源
３２アモルファス薄膜パターン
３８可変抵抗器ＶＲ

Claims

長さ方向に応力を印加した状態で加熱後、冷却処理を施した負磁歪のＣｏ _72.5 Ｓｉ _12.5 Ｂ ₁₅ アモルファス磁性体に交流電流を通電した状態で応力に対して前記磁性体のインピーダンスを変化させ、ゲージ率を３００以上としたことを特徴とする高感度応力検出装置。
請求項１記載の高感度応力検出装置において、前記交流電流は高周波電流またはパルス電流である高感度応力検出装置。
請求項１記載の高感度応力検出装置において、前記応力は張力や圧縮力、トルクまたは衝撃力である高感度応力検出装置。
請求項１記載の高感度応力検出装置において、前記アモルファス磁性体として、アモルファス磁歪リボン、アモルファススパッタ磁歪厚膜、又はアモルファスメッキ磁歪膜を用いることを特徴とする高感度応力検出装置。
請求項１記載の高感度応力検出装置において、前記アモルファス磁性体として、アモルファスワイヤを用いることを特徴とする高感度応力検出装置。
請求項５記載の高感度応力検出装置において、前記アモルファスワイヤは、直径が１００μｍ以下であることを特徴とする高感度応力検出装置。
請求項１記載の高感度応力検出装置において、前記交流電流として、半導体発振回路の電流を用いることを特徴とする高感度応力検出装置。
請求項７記載の高感度応力検出装置において、前記半導体発振回路として、ＣＭＯＳマルチバイブレータ回路を用いることを特徴とする高感度応力検出装置。