JP4487710B2 - センサ及び同センサを用いた物理量の測定方法 - Google Patents
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Description
従って、本発明の目的の一つは、磁気検出素子を用いて地磁気等の外部磁界のみならず加速度或いは角加速度等の物理量(以下、「加速度等」という。)を測定することができる安価で構造が簡素なセンサを提供することにある。また、本発明の目的の他の一つは、このようなセンサを用いた加速度等の測定方法を提供することにある。
基板と、
前記基板上に固定されるとともに加えられる磁界に応じた大きさの特性値を示す磁気検出素子と、
前記基板にバネ性を有する支持部材を介して移動可能に支持され且つ通電により発生した磁界を前記磁気検出素子に加える可動コイルと、
を備え、前記磁気検出素子が示した特性値に応じた値を出力するセンサである。
主面を有する基板と、
前記基板の主面上の第1方向の磁界成分に応じた大きさの特性値を示すように同基板の主面に固定された第1磁気検出素子と、
前記基板の主面上の前記第1方向と所定の角度をもって交差する第2方向の磁界成分に応じた大きさの特性値を示すように同基板の主面に固定された第2磁気検出素子と、
を備えている。
前記基板の主面と平行な面内において移動可能となるように同基板にバネ性を有する支持部材を介して支持され且つ通電により発生した磁界を前記第1磁気検出素子及び前記第2磁気検出素子に加える可動コイルと、
を備え、前記第1磁気検出素子が示した特性値に応じた値及び前記第2磁気検出素子が示した特性値に応じた値を出力するように構成されている。
主面を有する基板と、
前記基板の主面に固定された第1磁気検出素子と、
前記基板の主面に固定された第2磁気検出素子と、
を備え、前記第1磁気検出素子が示した特性値に応じた値及び前記第2磁気検出素子が示した特性値に応じた値を出力するセンサであって、
前記第1磁気検出素子は、前記基板の主面に形成される仮想の正多角形(好ましくは正方形)を構成する辺のうちの一つの辺である第1の辺の中央部近傍に配置されるとともに同第1の辺と直交する方向の磁界の成分に応じた大きさの特性値を示すように構成され、
前記第2磁気検出素子は、前記仮想の正多角形を構成する辺のうちの前記第1の辺と交差する他の辺である第2の辺の中央部近傍に配置されるとともに同第2の辺と直交する方向の磁界の成分に応じた大きさの特性値を示すように構成され、
更に、
前記仮想の正多角形と同一又は相似の正多角形の可動コイルであり、前記基板にバネ性を有する支持部材を介して前記基板の主面と平行な面内において移動可能に支持され、前記センサが静止しているとき同可動コイルの重心が前記仮想の正多角形の重心と一致するとともに同可動コイルの各辺が同仮想の正多角形の各辺と平行となる初期位置に維持され、且つ、通電により発生した磁界を前記第1磁気検出素子及び前記第2磁気検出素子に加える可動コイルを備えたセンサである。
上記本発明のセンサを用いて同センサ又は同センサが固定された物体の加速度及び角加速度の少なくとも一方と同センサに加わる外部磁界とを測定する測定方法であって、
前記可動コイルへの通電を停止して同可動コイルによる磁界を消滅させ、この状態にて前記第1及び第2磁気検出素子が示す特性値に応じた値を前記センサに加わる外部磁界として取得する外部磁界測定ステップと、
前記可動コイルに通電して同可動コイルにより磁界を発生させ、この状態にて前記第1及び第2磁気検出素子が示す特性値に応じた値を前記加速度及び前記角加速度の少なくとも一方として取得する物理量測定ステップと、
を含む測定方法である。
先ず、センサ10がX軸方向に沿う外部磁界の成分を測定する場合について説明する。この場合、センサ10の回路部40は、図8に示したように、第1X軸GMR素子11〜第4X軸GMR素子14をフルブリッヂ接続する。なお、図8において、第1〜第4X軸GMR素子11〜14の各々に隣接した位置に示されたグラフは、各グラフに隣接したGMR素子の特性値の変化(X軸に沿って変化する外部磁界Hxに対するGMR素子の抵抗値Rの変化)を示している。
次に、センサ10がセンサ10のX軸方向の加速度(センサ10が固定されている物体の加速度)を測定する場合について説明する。この場合、センサ10の回路部40は、図8の(A)に示した外部磁界を測定する場合と同様に、第1X軸GMR素子11〜第4X軸GMR素子14をフルブリッヂ接続し、点P2と点P1の間の電位差Voxを出力する(図9の(C)を参照。)。更に、回路部40は、可動コイル32に一定の電流Iを流す。これにより、可動コイル32の周りに磁界が発生する。
Vox=Vox1=−VB・(d1+d2)/(2R1+d2−d1)…(1)
Vox=Vox1=−VB・(d1+d2)/2R1…(2)
この(2)式から明らかなように、センサ10にX軸正方向の加速度が発生している場合、センサ10の出力値Voxは負の値となる。
Vox=Vox2=VB・(d3+d4)/(2R1+d3−d4)…(3)
Vox=Vox2=VB・(d3+d4)/2R1…(4)
この(4)式から明らかなように、センサ10にX軸負方向の加速度が発生している場合、センサ10の出力値Voxは正の値となる。
センサ10は、Y軸方向に沿う外部磁界及び加速度の成分についても、X軸方向のそれらと同様に測定する。より具体的に述べると、センサ10の回路部40は、Y軸方向の外部磁界を測定する場合、図13に示したように、第1Y軸GMR素子21〜第4Y軸GMR素子24をフルブリッヂ接続する。なお、図13において、第1〜第4Y軸GMR素子21〜24の各々に隣接した位置に示されたグラフは、各グラフに隣接したGMR素子の特性値の変化(Y軸に沿って変化する外部磁界Hyに対するGMR素子の抵抗値Rの変化)を示している。
次に、センサ10がセンサ10のY軸方向の加速度を測定する場合について説明する。この場合、センサ10の回路部40は、図13の(A)に示した外部磁界を測定する場合と同様に、第1Y軸GMR素子21〜第4Y軸GMR素子24をフルブリッヂ接続し、点P4と点P3の間の電位差Voyを出力する。更に、回路部40は、可動コイル32に一定の電流Iを流す。これにより、可動コイル32の周りに磁界が発生する。
Voy=Voy1=−VB・(d5+d6)/2R1…(5)
Voy=Voy2=VB・(d7+d8)/2R1…(6)
次に、センサ10が角加速度を測定する場合について説明する。この場合、センサ10の回路部40は、図16の(B)に示したように、第1X軸GMR素子11と第2X軸GMR素子12をハーフブリッヂ接続する。即ち、第1X軸GMR素子11の一端は電位VBを維持する定電圧源に接続される。第1X軸GMR素子11の他端は第2X軸GMR素子12の一端に接続される。第2X軸GMR素子12の他端は接地される。そして、回路部40は、第2X軸GMR素子12の両端の電位差Vrを出力する。更に、回路部40は、可動コイル32に一定の電流Iを流す。
Vr=VB・(R1−rb)/(2R1+ra−rb)…(7)
Vr=VB・(R1−rb)/(2R1)…(8)
Vr=VB・(R1+rd)/(2R1+rd−rc)…(9)
Vr=VB・(R1+rd)/(2R1)…(10)
次に、実際に加速度及び外部磁界を測定する際のセンサ10の作動について、図20に示したタイムチャートを参照しながら説明する。いま、時刻t0にて測定を開始したと仮定すると、回路部40は時刻t0から可動コイル32への通電を開始する。同時に回路部40は、上述した出力値Vox及び出力値Voyに基づいてそれぞれX軸方向の加速度及びY軸方向の加速度を測定する。即ち、加速度を取得する物理量測定ステップを実行する。
次に、センサ10の可動コイル部30の製造方法について図21乃至図28を参照しながら説明する。なお、図21乃至図28は、図1の6−6線に沿った平面にてセンサ10を切断した部分に相当している。また、本例のセンサ10は、MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)であって、シリコンを用いた半導体プロセスを基本として製造される。
(5)最後に、レジスト膜55を除去する。この結果、図28に示したように、可動コイル部30が完成する。
Claims (5)
- 主面を有する基板と、
前記基板の主面に固定された第1磁気検出素子と、
前記基板の主面に固定された第2磁気検出素子と、
を備え、前記第1磁気検出素子が示した特性値に応じた値及び前記第2磁気検出素子が示した特性値に応じた値を出力するセンサであって、
前記第1磁気検出素子は、前記基板の主面に形成される仮想の正多角形を構成する辺のうちの一つの辺である第1の辺の中央部近傍に配置されるとともに同第1の辺と直交する方向の磁界の成分に応じた大きさの特性値を示すように構成され、
前記第2磁気検出素子は、前記仮想の正多角形を構成する辺のうちの前記第1の辺と交差する他の辺である第2の辺の中央部近傍に配置されるとともに同第2の辺と直交する方向の磁界の成分に応じた大きさの特性値を示すように構成され、
更に、
前記仮想の正多角形と同一又は相似の正多角形の可動コイルであり、前記基板にバネ性を有する支持部材を介して前記基板の主面と平行な面内において移動可能に支持され、前記センサが静止しているとき同可動コイルの重心が前記仮想の正多角形の重心と一致するとともに同可動コイルの各辺が同仮想の正多角形の各辺と平行となる初期位置に維持され、且つ、通電により発生した磁界を前記第1磁気検出素子及び前記第2磁気検出素子に加える可動コイルを備えたセンサ。 - 請求項1に記載のセンサにおいて、
前記仮想の正多角形は正方形であるセンサ。 - 請求項1又は請求項2に記載のセンサであって、
前記可動コイルが通電状態及び非通電状態の何れかの状態となるように同可動コイルに流れる電流を制御する電流制御手段を備えたセンサ。 - 請求項1に記載のセンサを用いて同センサ又は同センサが固定された物体の加速度及び角加速度の少なくとも一方と同センサに加わる外部磁界とを測定する測定方法であって、
前記可動コイルへの通電を停止して同可動コイルによる磁界を消滅させ、この状態にて前記第1及び第2磁気検出素子が示す特性値に応じた値を前記センサに加わる外部磁界として取得する外部磁界測定ステップと、
前記可動コイルに通電して同可動コイルにより磁界を発生させ、この状態にて前記第1及び第2磁気検出素子が示す特性値に応じた値を前記加速度及び前記角加速度の少なくとも一方として取得する物理量測定ステップと、
を含む測定方法。 - 請求項4に記載の測定方法において、
前記外部磁界測定ステップ及び前記物理量測定ステップは所定時間の経過毎に交互に繰り返し実行されるとともに、同物理量測定ステップの終了時において前記可動コイルへの通電を停止してから余裕時間が経過した後に同外部磁界測定ステップを開始する測定方法。
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