JPH01148928A - 応力センサ - Google Patents

応力センサ

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JPH01148928A
JPH01148928A JP62307864A JP30786487A JPH01148928A JP H01148928 A JPH01148928 A JP H01148928A JP 62307864 A JP62307864 A JP 62307864A JP 30786487 A JP30786487 A JP 30786487A JP H01148928 A JPH01148928 A JP H01148928A
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JP
Japan
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thin film
magnetic
stress
inductance
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
JP62307864A
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English (en)
Inventor
Shinya Tokuono
徳尾野 信也
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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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】 産業上の利用分野 本発明は磁性薄膜を用いた応力センサに関するものであ
る。
従来の技術 従来より圧力やトルクや変位などの機械量を検出する素
子として、磁歪を有する合金の応力−磁気効果を用いた
センサが提案されている(例えば特開昭58−1952
39号公報、特開昭58−195240号公報、特開昭
59−61731号公報等)。
この方法は、磁歪合金に加えられた応力による歪みが、
応力−磁気効果によって磁歪合金の透磁率を変化させる
ことを利用している。
また磁歪を利用せず、歪みによる抵抗値の変化を利用し
たものとして歪みゲージがあった。
しかしながらこれらの方法には測定対象に応力検出素子
を接着しなければならない、素子のマイクロ化が困難で
あるなどの問題点があり、これを解決する方法として、
磁性薄膜にAI等の電導体薄膜を電極として積層した薄
膜インダクタと呼ばれる応用が考案されており、このよ
うな磁性薄膜の応力−磁気効果を利用した第3図のよう
な応力センサも提案されている(特願昭62−1794
72号)。
この方法は磁性薄膜3と電極4を用いて基板上に平面状
の磁気回路を形成し、基板の歪みを磁性薄膜の応力−磁
気効果によって検出するというもので、前述のトルクセ
ンサ、歪みゲージ等のセンサに対して次のような特徴を
持っていた。
■ 磁歪を有する磁性薄膜と薄膜電極を組み合わせて一
つの素子として応力センサを構成することにより、広範
囲の応力に対し高感度な出力の得られる応答性のよいセ
ンサが実現できる。
■ 薄膜によるコイルとインダクタンス検出回路を同一
基板状に形成し1チツプ化することによりマイクロ化し
た応力検出素子が作製可能になる。
■ 基板上にセンサを薄膜として直接形成するため接着
の問題が生じない。
発明が解決しようとする問題点 磁性薄膜を利用した応力センサは前述のような長所を持
つが、感度を上げるためにはコイルのインピーダンスの
うち抵抗Rに対するインダクタンスLの比率を上げなけ
ればならず、そのためにはインダクタンスを検出するた
めのコイルに流れる電流を大きくするか、コイルの巻回
数を多くする必要がある。
ところが従来のセンサでは薄膜電極としてAtやNi−
Cr合金を用いていたため電気抵抗が太き(大電流を流
すためにはより大きな電圧をかける必要があり、またコ
イルの巻回数を多(すると、電極の導電距離が伸び、断
面積が小さくなるため抵抗が高(なり、結局大電圧をコ
イルの両端にかけなければならず、マイクロ化に限界が
あった。
問題点を解決するための手段 インダクタンス検出用コイルを構成する薄膜電極を、超
伝導体薄膜によって形成する。
作用 コイルを形成する薄膜電極として超伝導体を使用するこ
とにより、電極の抵抗RをOとし、インピーダンス=イ
ンダクタンスとなる。このインダクタンスの変化を検出
することによって、応答性のよい高感度なセンサを実現
する。
実施例 以下に本発明による一実施例を図面を用いて説明する。
実施例I Ti基板1に、下のような順序で磁性合金と超伝導体電
極の各薄膜を積層することにより、基板上に第1図(a
)および第1図(b)の断面図のような構成の薄膜のリ
ング状ソレノイドを形成した。
■ Y−Ba−Cu−0電極(超伝導膜)4a■ Fe
−Co−Zr薄膜(磁性合金膜)3■ Y−Ba−Cu
−0電極(超伝導膜)4bFe−Co−Zr磁性薄膜は
、直径100InI11の(Feez+o Co*、t
o)sz+o Zr1z+o合金(添え字は原子比を表
す)をターゲットとしてDCマグネトロンスパッタ法を
用い、Ar雰囲気中で次の成膜条件において作製した。
磁性薄膜スパッタ条件 到達真空度     : 5 X 10−”TorrA
r圧        : 5 X 10 ’Torrパ
ワー        :250W 基板温度      二〜20℃(水冷)ターゲット基
板間距離:  50n+g+この磁性薄膜をX線回折装
置で測定したところ、アモルファスであった。
また、Y−Ba−Cu酸化物超伝導薄膜は高周波スパッ
タ法で成膜した。
Y−Ba−Cu酸化物薄膜(以下MBC薄膜と呼ぶ)は
Y20G 、BaCO3、Cu0aをY B a 2C
u307の組成比となるように混合し900℃で6時間
焼成したものを粉砕し直径100鴫のターゲットとして
固めたものを次のような条件でスパッタして作製した。
超伝導薄膜スパッタ条件 到達真空度     : 5 X 10−6TorrA
r  圧                二 1  
X  1 0−’Torr02圧     :lX10
−’Torrパワー        :200W 基板温度      :400℃ ターゲット基板間距離=5011II11以上のように
積層膜を形成した後、熱処理を行いFe−Co−Zr薄
膜を軟磁性膜とした。
磁性薄膜の回りをYBC電極4a、4bが取り囲んで、
磁性薄1113を磁心としたコイルを構成している。
以上のようにしてコイルの形成されたTi基板1上にイ
ンダクタンスを検出する1チツプの検出回路5を設置し
た。
この構造は磁性薄膜が閉磁路を構成するので磁束の漏れ
がな(、磁束が主に磁性薄膜3の面内を平行に通るとい
う特徴を持つ。
このような構造の場合、コイルのインダクタンスしは簡
単に次式で表される。
ここでμは磁性体の透磁率、nはコイルの巻回数、Sは
磁路の平均断面積、eは平均磁路長を表す。
磁性薄膜が閉磁路を構成していることから、この構造は
大きなインダクタンス値を持ち得る。また、一般に磁性
薄膜は面内に磁気異方性を持つことからこの構造の場合
、高いμ値が期待できる。
さらに磁性薄膜の幅を大きくすることで断面積Sを、コ
イルの集積度を上げることによってnを上げることが簡
単にできるので、この構造は大きなインダクタンス値を
持つだけでなく、その絶対値を調節することが容易であ
り、その結果、高感度、高出力の応力センサを実現でき
る。
しかもコイルを構成する電極として超伝導薄膜を使用し
ているため計測されるインピーダンス値はほとんどイン
ダクタンス成分であり、このことによって極めて高い精
度のインダクタンス値を求めることが可能である。した
がってこのような応力センサは高精度の歪みの検出を必
要とする測定対象にも適している。
従来の磁性薄膜を応用したセンサでは、上記の■、■、
■の各工程の前後に5i02等の絶縁膜を形成してTi
基板と電極、および電極と磁性薄膜との絶縁性を確保す
る必要があったが、本発明では電極として超伝導薄膜を
使用しており、電流のほとんどが直流抵抗Oの超伝導体
を流れるため基板上に絶縁膜を形成する必要がない。し
たがって本発明は精度が高くなるだけではなく工程が簡
単になり作製が容易になる。
このTi基板1に、左右方向から引張応力を加えてその
インダクタンス変化を検出回路5で測定したところ第2
図に示すように、広範囲の力に対し安定した出力が得ら
れた(黒丸)。応力Fに対する感度(Δμ/ΔF)は、
超伝導薄膜の臨界温度以下、臨界電流以下で測定した場
合はぼ一定であり、直線性のよい出力特性を持つ。従来
例の出力(白丸)と比較するとばらつきが小さくなり精
度の上がっていることがわかる。
実施例2 次に第二の実施例として第4図に示すように二層の磁性
薄膜の間に非磁性の絶縁膜をはさみ両端に磁性薄膜の結
合部を設けて閉磁路を構成するようにし、閉磁路の中を
鎖交する螺線型のMBC電極によってコイルを形成した
。磁性薄膜にはFe−Tb系合金を、非磁性絶縁膜には
フォトニースを用い、Ti基板上に磁性薄膜3a、MB
C電極4 a %絶縁膜2、YBC電極4b、磁性薄膜
3bの順で薄膜の応力センサを形成し、その横に実施例
1と同様にコイルのインダクタンスを検出する検出回路
5を薄膜の回路で形成した。このとき絶縁膜2の中心部
に穴かあ(ように工程を調整し、磁性膜3aと3bが結
合するとともにMBC電極4aと4bも結合できるよう
にした。
この構造も基本的には実施例1.と同じであり、インダ
クタンス値の算出に(1)式を適用できる。
したがって実施例1と同様に磁路長eと磁路の断面積S
が一定なので、AI電極によるコイルの集積度を上げる
ことによってインダクタンス値を自由に高くすることが
できるのが特徴である。また、この構造は実施例1より
工程数が増えるが2回のMBC電極スパッタの工程にお
いて二つの電極の接点が一箇所ですむため、作製条件が
より簡単になるという利点も持つ。
このようなTi基板1に応力を加え、臨界温度以下、臨
界電流以下でそのインダクタンス値の変化を見たところ
、実施例1と同様の結果が得られた。
この構造は、磁性薄膜3が形状異方性を持つため、特定
の方向の応力を検出することが可能である。したがって
この素子を適当に組み合わせることによって2次元の応
力センサを実現可能である。
以上に述べたように、磁歪を有する磁性体薄膜と超伝導
体薄膜電極を用いて基板上に薄膜の応力センサを形成す
ると、いずれの構造においても高感度かつ高精度で応答
性の良い応力センサが実現できる。
しかも応力やトルクなどの測定対象が金属であった場合
、熱膨張係数の差が小さいため、その測定対象に直接ス
パッタすることによって従来のような取付、接着等の問
題点が生じない。
したがってこれらの良好な特性を利用することによって
優れた応力センサを実現できることがわかる。
発明の効果 本発明によれば、磁歪を有する磁性薄膜と薄膜電極を組
み合わせて一つの素子として構成した応力センサにおい
て、薄膜電極のうち超伝導体の部分は電気抵抗が0なの
で測定するインピーダンスのうちインダクタンス成分が
ほとんどであり、したがって高精度のインダクタンス検
出が可能になり高精度の応力センサが実現できる。また
、薄膜のコイルに電流を流すことによるジュール熱の発
生がないので薄膜のセンサの特性に影響を与えない。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明の一実施例による応力センサの構
造を示す斜視図、第1図(b)は第1図(a)の断面図
、第2図は第1図の基板に応力を加えた場合の出力曲線
図、第3図は従来の発明の実施例による応力センサの構
造を示す斜視図、第4図(a)及び(b)は各々、本発
明の他の実施例における応力センサの斜視図および断面
図である。 1・・・Ti基板、2・・・絶縁膜、3・・・Fe−C
o−Zr合金薄膜、Tb−Fe合金薄膜、4・・・YB
C超伝導電極薄膜、5・・・インダクタンス検出回路、
6・・・磁性薄膜結合部、7・・・Al電極、8・・・
結合部。 代理人の氏名 弁理士 中尾敏男 ほか1名A 10 第 2 図 θ    lθθ   200    Jθθ印友した
力 (k3J/cmす

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 少なくとも1層の磁歪を有する磁性体薄膜と、前記磁性
    体薄膜が磁気回路となるようにコイルを構成する薄膜電
    極と、前記薄膜電極を取り囲むように形成された絶縁体
    薄膜と、前記コイルのインダクタンスを検出する検出回
    路とから成り、前記薄膜電極が超伝導体から成ることを
    特徴とする応力センサ。
JP62307864A 1987-12-04 1987-12-04 応力センサ Pending JPH01148928A (ja)

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