JPH0442004A

JPH0442004A - ひずみセンサおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0442004A
Application number: JP2147474A
Authority: JP
Inventors: Masao Kohama; 政夫小浜
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-07
Filing date: 1990-06-07
Publication date: 1992-02-12
Also published as: US5194806A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、ひずみセンサおよびその製造方法に関する。

（従来の技術）構造材のひずみを検出する場合には、一般に、ひずみに
対して抵抗値が変化する金属抵抗線形ひずみセンサが使
用されている。

この金属抵抗線形ひずみセンサは、他のセンサに比べて
取扱いが容易で、信頼性が高いことから多用されている
。しかし、金属抵抗線形ひずみセンサは、一般に検出感
度が低い。このため、金属抵抗線形ひずみセンサを使っ
て、たとえばロボット等の負荷検出、駆動力検出あるい
は力検出を行なう場合には、検出信号を大きくするため
に、駆動力伝達部材の一部にひずみ量が多くなる部分、
つまり機械的剛性の低い部分を特別に形成し、この部分
にセンサを貼着する方式が採用されている。

しかし、駆動力伝達系の剛性を下げることは、ロボット
の応答性能の低下を招くので好ましいことではない。加
えて、ロボットの先端に過大な力が加わった場合には、
剛性の低い部分が大きく変形するので、この部分に貼着
されているセンサが永久変形して破壊する虞がある。

一方、感度の高いひずみセンサとして、半導体ひずみセ
ンサが知られている。しかし、このセンサは取扱う上で
の制限が多く、汎用性に欠ける問題があった。

このようなことから、取扱いが容易で、しかも検出感度
が高く、そのうえ信頼性に富んだひずみセンサの出現が
望まれている。

（発明が解決しようとする課題）上述の如く、従来のひずみセンサにあっては、検出感度
、取扱性、信頼性といった要件を全て満たすことはでき
なかった。

そこで本発明は、上述した要件の全てを満たすことがで
き、しかも構造が簡単で製作も容易なひずみセンサおよ
びその製造方法を提供することを目的としている。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明によれば、逆磁歪効
果を有する非晶質磁性金属層と、この非晶質磁性金属層
の外周に絶縁材層を介して装着されたコイルと、このコ
イルの外周に設けられた絶縁材層とを備え、前記各要素
が一体化されてなるひずみセンサが提供される。

また、本発明に係る製造方法によれば、第１の絶縁材層
の上に第１の導電体をほぼ平行に複数設けて第１の導電
体群を形成する工程と、この第１の導電体群の上に第２
の絶縁材層を形成する工程と、この第２の絶縁材層の上
に前記第１の導電体群を構成する前記第１の導電体と交
差状態に逆磁歪効果を有する非晶質磁性金属層を形成す
る工程と、この非晶質磁性金属層の上に第３の絶縁材層
と形成する工程と、この第３の絶縁材層の上に前記非晶
質磁性金属層と交差状態に、かつ前記第１の導電体群を
構成する前記第１の導電体を直列に接続して上記第１の
導電体とで前記非晶質磁性金属層を螺旋状に取り囲むコ
イルを形成する複数の第２の導電体からなる第２の導電
体群を形成する工程と、この第２の導電体群の上に第４
の絶縁材層を形成する工程とによってひずみセンサが製
造される。

これらの工程は、半導体の製造手法やスノク・ツタリン
グあるいは蒸着法などの組合わせにより実行される。

（作　用）逆磁歪効果を有する非晶質磁性金属体は、引張力や圧縮
力を受けると透磁率が大幅に変化する。

すなわち、引張力を受けると透磁率が小さくなり、圧縮
力を受けると透磁率が大きくなる。磁気異方性を持たせ
ると、その透磁率の変化が一層大きくなる。

本発明に係るひずみセンサでは、コイルで発生した磁束
の大部分が、非晶質磁性金属層を通る構造になっている
。このため、引張力や圧縮力によって非晶質磁性金属層
の透磁率が変化すると、この透磁率の変化に対応してコ
イルのインダクタンス値が大幅に変化する。したがって
、このセンサを構造材の表面に接着材等を使って貼着す
るとともにコイルのインピーダンス値を検出できるよう
に回路構成すると、インピーダンス値の変化から構造材
のひずみ、つまり構造材に加っている加重を高感度に検
出することができる。

また、本発明の製造方法では、２回の工程を経て１本の
螺旋状のコイルを形成するようにしているので、半導体
製造分野で確立している技術をそのまま転用でき、もっ
て検出感度の高い小型のセンサの製造が可能となる。

（実施例）以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係るひずみセンサ１の外
観が示されている。

このひずみセンサ１は、厚さが０．３ａｍ　、幅が５１
、長さが１５　ａｍ程度の薄い板状に形成されている。

そして、長手方向の両端部対角線位置には端子部２ａ、
２ｂが設けてあり、これら端子部２ａ。

２ｂには接続用の端子３ａ、３ｂが露出状態に設けられ
ている。

第２図にはひずみセンサ１の分解斜視図が示されている
。ひずみセンサ１は、実際には蒸着、スパッタリング、
メツキ技術を含む半導体製造技術の転用によって、必要
な要素を順次、積層しながら製造される。しかし、ここ
では構造の理解を容易にするために分解して示されてい
る。

同図において、１０は可撓性を備えた絶縁材で長方形に
形成された基板を示している。基板１０の長手方向の両
端部で対角線位置には、前述した端子部２ａ、２ｂを構
成する部分が一体に、かつ突出状態に形成されている。

基板１０の上面には、第１の導電体群１１が設けられて
いる。この導電体群１１は、基板１０の長手方向に等間
隔に複数設けられた導電体１２−１゜１２−２．・・・
・・・１２−ｎによって構成されている。これら導電体
１２−１．　１２−２．・・・・・・１２−ｎは、幅が
０．１　ａｍ、厚みが０．０５ｍｍ程度に形成されてお
り、それぞれ基板１０の長手方向と直交する方向に延び
る部分１３と、この部分１３の両端部から基板１０の長
手方向に互いに逆向きに延びる部分１４゜１５とで構成
されている。そして、部分１４゜１５の先端部には、そ
れぞれ部分１４．１５より幅広で、しかも厚肉に形成さ
れた接続部１６゜１７が設けられている。なお、基板１
０の長手方向の一端側に位置する導電体１２−１の部分
１５は、端子部２ａの上まで延びており、その先端部が
端子３ａに接続されている。同様に、基板１０の長手方
向の他端側に位置する導電体１２−１の部分１４は、端
子部２ｂの上まで延びており、その先端部が端子３ｂに
接続されている。

第１の導電体群１１の上には、絶縁材層１８が設けられ
ている。この絶縁材層１８は、第１の導電体群１１を構
成している導電体１２−１．　１２−２゜・・・・・・
１２−ｎの接続部１６．１７を除いた部分を覆う大きさ
の縦横寸法に形成されている。

絶縁材層１８の上には、絶縁材層１８より縦横寸法が若
干小さい非晶質磁性合金層１９が設けられている。この
非晶質磁性合金層１９は、たとえばＣｏ（８５ｖｔ％）
　、Ｚ　ｒ　（１０ｖｔ％）　、Ｆｅ　（５ｖｔ％）の
組成を持つ材料で形成されている。この非晶質磁性合金
層１９には、第３図（ａ）に示すように、レーザ光線、
たとえば炭配ガスレーザが長手方向に一定間隔で幅方向
に照射され、この照射によって磁気異方性が与えられて
いる。すなわち、レーザ光線の照射された場所は加熱さ
れて、磁気特性が変化する。非晶質磁性合金層１つは、
長手方向に磁気特性が縞模様に異なる分布を持ち、幅方
向に磁気異方性の付与されたものとなっている。

非晶質磁性合金層１つの上には、絶縁材層１８の縦横寸
法とほぼ同じ大きさの絶縁材層２０が設けられている。

そして、この絶縁材層２０および基板１０の上には第２
の導電体群２１が形成されている。この第２の導電体群
２１は、絶縁材層２０の長手方向に等間隔に（ｎ−１）
個の数だけ設けられた導電体２２−１．２２−２．・・
・・・・２２−（ｎ−１）によって構成されている。こ
れら導電体２２−１゜２２−２．・・・・・・２２−（
ｎ−１）は、先に説明した第１の導電体群１１を構成す
る導電体と同程度の幅および厚みに形成されている。こ
れら、導電体２２−１゜２２−２．・・・・・２２−（
ｎ−１）の両端部には、接続部２３．２４が設けられて
いる。すなわち、導電体２２−１．２２−２．・・・・
・２２−（ｎ−１）は、その両端部に設けられた接続部
２３．２４が第１の導電体群１１を構成している導電体
１２−１．　１２−２．・・・・・・１２−ｎの接続部
１６．１７に接続され、導電体１２−１．　１２−２．
・・・・・・１２−ｎを直列に接続して非晶質磁性合金
層１９を螺旋状に取り囲む１本のコイルを形成するよう
に設けられている。そして、第２の導電体群２１の上に
は絶縁材層２５が設けられている。

したがって、このひずみセンサ１は、第４図に模式図を
示すように、非晶質磁性合金層１９の外周に絶縁材層１
８．２０を介して導電体１２−１゜１２−２．　・・・
・・・１２−ｎおよび２２−１．２２−２．　　・・・
・・・２２−（ｎ−１）で形成されたコイル２６が装着
され、さらにコイル２６の外周が基板１ｏおよび絶縁材
層２５で覆われ、これらが一体止された構造に形成され
ている。このように構成されたひずみセンサ１は、金属
抵抗線形ひずみセンサと同様に構造材に貼着される。そ
して、コイル２６のインダクタンス値から構造材のひず
み量が検出される。

このような構成であると、第４図中に実線矢印２７．２
８で示すように、非晶質磁性合金層１９に圧縮力あるい
は引張力か加わると、非晶質磁性合金層１９の透磁率が
第５図に示すように変化する。この場合、コイル２６を
非晶質磁性合金層１９が貫通しているので、圧縮力ある
いは引張力による非晶質磁性合金層１つの透磁率の変化
はコイル２６のインダクタンス値の変化となって現れる
。したかって、このインダクタンス値の変化からひずみ
量、つまり構造材に加わっている力を検出することがで
きる。この検出感度は、金属抵抗線形ひずみセンサに比
べて５０〜１５０倍と高い。

発明者の実験によると、厚さか３０μｍ１幅が４關、長
さが１５ｍｍの非晶質磁性合金層を用い、この層の外周
に第２図に示した手法でコイルを装着し、４００Ｘ１０
−６のひずみを与えたときのインダクタンス値の変化を
調べたところ、１０％以上の変化が認められた。この値
は、金属抵抗線形ひずみセンサのゲージ率に換算すると
２５０以上となる。

金属抵抗線形ひずみセンサのゲージ率が２前後であるの
に比べて、はるかに高い感度でひずみを検出できること
が確認された。

なお、上述した実施例では、非晶質磁性合金層に長手方
向には一定間隔で、かつ幅方向にレーザ光を照射して非
晶質磁性合金層に磁気異方性を付与しているが、第３図
（ｂ）に示すように非晶質磁性合金層に長手方向には一
定間隔で、がっ幅方向には斜めにレーザ光を照射して斜
め方向に磁気異方性を持たせるようにしてもよい。

［発明の効果コ以上説明したように、本発明によれば、構造の複雑化を
招くことなく、小型で高感度のひすみセンサを提供でき
る。また、本発明の製造方法によれば、２回の工程を経
て１本の螺旋状コイルを形成するようにしているので、
既に技術の確立している製造技術をそのまま転用でき、
製造の容易化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るひずみセンサの外観図
、第２図は同センサの分解斜視図、第３図は同ひずみセ
ンサに組み込まれる非晶質磁性合金層への磁気異方性付
与の手法を説明するだめの図、第４図は同センサを模式
化して示す図、第５図は非晶質磁性合金層の磁気特性を
説明するため図である。１・・・ひずみセンサ、１０・・絶縁性の基板、１１・
・・第１の導電体群、１８，２０．２５・・絶縁材層、
１９・・非晶質磁性合金層、２１・・・第２の導電体群
、２６・コイル。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦（ａ）第３区第４図マー第因

Claims

【特許請求の範囲】

（１）逆磁歪効果を有する非晶質磁性金属層と、この非
晶質磁性金属層の外周に絶縁材層を介して装着されたコ
イルと、このコイルの外周に設けられた絶縁材層とを備
え、前記各要素が一体化されてなることを特徴とするひ
ずみセンサ。
（２）前記非晶質磁性金属層は、磁気異方性を備えてい
ることを特徴とする請求項１に記載のひずみセンサ。
（３）前記各絶縁材層は、可撓性を備えていることを特
徴とする請求項１に記載のひずみセンサ。
（４）第１の絶縁材層の上に第１の導電体をほぼ平行に
複数設けて第１の導電体群を形成する工程と、この第１
の導電体群の上に第２の絶縁材層を形成する工程と、こ
の第２の絶縁材層の上に前記第１の導電体群を構成する
前記第１の導電体と交差状態に逆磁歪効果を有する非晶
質磁性金属層を形成する工程と、この非晶質磁性金属層
の上に第３の絶縁材層と形成する工程と、この第３の絶
縁材層の上に前記非晶質磁性金属層と交差状態に、かつ
前記第１の導電体群を構成する前記第１の導電体を直列
に接続して上記第１の導電体とで前記非晶質磁性金属層
を螺旋状に取り囲むコイルを形成する複数の第２の導電
体からなる第２の導電体群を形成する工程と、この第２
の導電体群の上に第４の絶縁材層を形成する工程とを具
備してなることを特徴とするひずみセンサの製造方法。
（５）前記非晶質磁性金属層を形成する工程は、磁気異
方性処理工程を含んでいることを特徴とする請求項４に
記載のひずみセンサの製造方法。
（６）前記磁気異方性処理工程は、前記非晶質磁性金属
層の一部に加熱用エネルギービームを選択的に照射する
工程を含んでいることを特徴とする請求項５に記載のひ
ずみセンサの製造方法。