JPH11352143A - 加速度センサ - Google Patents

加速度センサ

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JPH11352143A
JPH11352143A JP11075676A JP7567699A JPH11352143A JP H11352143 A JPH11352143 A JP H11352143A JP 11075676 A JP11075676 A JP 11075676A JP 7567699 A JP7567699 A JP 7567699A JP H11352143 A JPH11352143 A JP H11352143A
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magnetic
axis
acceleration sensor
acceleration
detecting
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Iku Sato
郁 佐藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広いダイナミックレンジと高い検出精度を兼
ね備えるとともに小型化が可能である三次元加速度セン
サを提供することを目的とする。 【解決手段】 三次元の自由度を持つ振動子２ｂに、
Ｘ，Ｙ，Ｚの直交空間座標軸のＺ軸上に軸線を含ませた
質点の磁性体４を取り付け、Ｘ軸及びＹ軸の上であって
座標軸の原点周りの同心円上にそれぞれ中心を持つ４個
以上の検出素子５ａ，６ａ，７ａ，８ａを配置し、磁性
体４からの磁界強度の変化をＸ軸上の２個の検出素子５
ａ，６ａの出力電圧の相対差によりＸ軸方向の、Ｙ軸上
の２個の検出素子７ａ，８ａの出力電圧の相対差により
Ｙ軸方向の、及び全ての検出素子５ａ，６ａ，７ａ，８
ａの出力電圧の総和によりＺ軸方向の加速度をそれぞれ
検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばロボット
のアームの先端にアタッチメント式として取り付ける工
具交換用のツールや各種のマニピュレータ等の分野及び
カーナビゲーションシステム等における各種の移動体の
変位を検知して姿勢の制御等に利用できるようにした加
速度センサに係り、特に三次元の移動体の変位の加速度
をベクトル量として検知できるようにした三次元計測が
可能な加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】たとえば、自動工具交換装置を備えるロ
ボットにはその操作用のハンドの先端に自動工具交換用
のツールが着脱自在に設けられ、そのハンドの動きを検
知するために加速度センサがハンドの先端部等に装着さ
れる。また、この他の分野においても、装置のインテリ
ジェント化に伴って制御対象の動きを検知するために、
同様の加速度センサが利用されている。
【０００３】加速度センサは、制御または検知対象の動
きと一体に振動する振動系を備え、この振動系の振動検
出法として電磁誘導型や静電容量型またはピエゾ素子等
を利用したものが従来から知られている。
【０００４】電磁誘導型は、振動系に連接した磁性体と
この磁性体の変位によって変化する磁束の中に設けたコ
イルで構成され、コイルに発生する出力電圧から加速度
を得るというものである。また、静電容量型は、振動系
側と絶対固定側との間に静電容量空間を造る一対の電極
を配置し、振動系の振動によって振動系側の電極が変位
するときの絶対固定側の電極との間隔の変動による静電
容量の変化によって加速度を検出する。さらに、ピエゾ
素子を利用するものは、振動系側であって負荷振動によ
り歪みを発生する部分にピエゾ素子を取り付けておき、
振動系側の歪みに起因するピエゾ素子の出力の変化を利
用して加速度を検出するというものである。
【０００５】これらの各種の加速度センサは、いずれも
一軸の振動系の加速度を検出するシステムにおいては十
分な機能を持つものとされている。そして、特に静電容
量型やピエゾ素子を利用する加速度センサでは、最近の
半導体薄膜製造技術を利用することで、加速度センサの
ケーシングやその内部に備える振動系の質点（マス部）
を含めて電極やピエゾ素子までも薄く形成できるので、
全体の小型化が大幅に改善された。また、電磁誘導方式
を利用した動電型加速度センサの分野でも、たとえば特
開平５−１４２２４６号公報に記載のように、エピタキ
シャル成長法によって得られた薄膜状永久磁石と平板状
のコイルとの組合わせによって、小型化が可能なものが
既に知られている。
【０００６】一方、加速度センサとしては、１軸の変位
だけでなく直交空間座標のＸ，Ｙ，Ｚの３軸すなわち三
次元の変位を検知できることが、ロボットハンド等の制
御用には必須の条件として課せられる。このような三次
元の変位の検出は、たとえば１軸方向の加速度センサを
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向にそれぞれ３個組み合わせることで対
応できるので、従来ではこのような組み合わせが主流で
あった。特に電磁誘導型のものでは、各加速度センサに
コイルが含まれているので、２軸または３軸対応とする
ことは構造的にみて非常に困難であり、先のような１軸
構造のものの組み合わせが適用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の１軸
対応の加速度センサを少なくとも３個組み合わせる構造
とするのでは、単純にみても加速度センサ全体の大きさ
が１軸の３倍程度の大きさとなる。したがって、変位方
向を検知すべき対象が小型軽量であるような場合には、
加速度センサを備えることによる重量や嵩の増加が大き
な影響を及ぼすことになり、機器の小型化が至上とされ
る分野については将来の対応性に乏しい。
【０００８】これに対し、先に述べたように、静電容量
型やピエゾ素子を利用する加速度センサでは、半導体薄
膜製造技術を利用することで小型化が可能であるため、
３軸対応への可能性は残っているといえる。たとえば、
静電容量型の場合では、振動系側の電極と絶対固定側の
電極とのそれぞれを、その電極を含む平面内で４個の領
域にそれぞれ分割し、これらの分割された領域の電極の
それぞれの変位の合成を利用して各軸に対応する静電容
量の変化を検知し、これによってＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸対
応ができる構成としたものも既に知られている。また、
ピエゾ素子を利用するものでも、半導体薄膜製造技術を
利用することによって、同様にある程度の小型化が期待
できる。
【０００９】しかしながら、静電容量型の加速度センサ
は、振動系側と絶対固定側の一対の電極の間の隙間の大
きさの変動による静電容量の変化を利用して制御対象の
変位を検知するというものである。そして、静電容量の
変化を捉えるには電極どうしの間隔を狭くすることが必
要であり、したがって振動系側の電極の最大変位量もこ
の間隔の中に納まるように限定されることになる。この
ため、静電容量型の加速度センサでは計測可能な加速度
の範囲（以下、「ダイナミックレンジ」という）が比較
的小さく、振動系の最大振幅も小さめに設定することが
必要となり、検知可能な加速度の範囲に制約を受ける。
【００１０】また、ピエゾ素子を利用するものでは、外
部の温度変化によるピエゾ素子の焦電効果によって検出
特性に影響を受けることが避けられない。そして、検出
特性を安定させるには温度補償をすることが必要とさ
れ、この温度補償のための制御を含むため装置及び制御
が複雑になるほか、振動系の可動範囲も梁に張り付けた
ピエゾ素子が破壊しない範囲に限定されるため、静電容
量型と同様にダイナミックレンジも比較的小さい。
【００１１】このように静電容量型及びピエゾ素子を利
用する加速度センサでは、小型化は可能であるもののダ
イナミックレンジが小さいので、対応分野にも制約を受
けることになり、汎用性の面での障害がある。
【００１２】一方、電磁誘導型では、コイルに対する磁
性体の可動変位量を十分に確保することで広範囲な加速
度に対応することが可能であり、これによりダイナミッ
クレンジを静電容量型やピエゾ素子を利用した加速度セ
ンサに比べると格段に大きくすることができる。したが
って、振動振幅の大きさに制約を受けないことから、小
型の精密機械の要素等の微小な変位による位置検出から
大型のロボットハンド等についても対応でき、その汎用
性が拡大する。
【００１３】ところが、電磁誘導型の加速度センサの分
野においては、１軸対応のものが主流であって、３軸対
応については未だ有効な手段としての提案も確立もされ
ていない。その理由の一つは、磁性体の動きによって磁
束が変化するようにコイルを配置することが必須条件な
ので、特に３軸のための少なくとも３個のコイルの配置
による嵩が拡大してしまい、小型化には対応できていな
い。
【００１４】このように、ダイナミックレンジが広く取
れる電磁誘導型の加速度センサは検出対象を選ばないこ
とから広い分野で利用できるものの、３軸対応として三
次元計測のための手段としては未だ提供されていない状
況にある。
【００１５】本発明の目的は、広いダイナミックレンジ
を有し、制御対象の三次元の動きや変位量を高精度で且
つ高感度に検知でき、しかも小型化も可能な三次元の加
速度センサを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の加速度センサ
は、基体と、三次元の自由度を持つ振動系として前記基
体に連接された振動子と、前記振動子に取り付けられた
磁性体と、前記磁性体の変位による磁界の変化を検知す
る少なくとも４個の検出素子とを備え、Ｘ、Ｙ、Ｚの直
交空間座標軸のＸ軸方向の加速度を前記検出素子のうち
少なくとも２個の検出素子の磁界変化による出力信号に
基づき、Ｙ軸方向の加速度を前記検出素子のうち少なく
とも他の２個の検出素子の磁界変化による出力信号に基
づき、およびＺ軸方向の加速度を全ての前記検出素子の
出力信号に基づき、それぞれ検出することを特徴とす
る。
【００１７】このようにすべての検出素子を同一平面内
に構成することにより、１軸型のものを３個組み合わせ
る構成と比較すると格段に小型化されるとともに、ダイ
ナミックレンジが大きな三次元加速度センサとすること
ができるので、汎用性も向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、基体と、三次元の自由度を持つ振動系として前記基
体に連接された振動子と、前記振動子に取り付けられた
磁性体と、前記磁性体の変位による磁界の変化を検知す
る少なくとも４個の検出素子とを備え、Ｘ、Ｙ、Ｚの直
交空間座標軸のＸ軸方向の加速度を前記検出素子のうち
少なくとも２個の検出素子の磁界変化による出力信号に
基づき、Ｙ軸方向の加速度を前記検出素子のうち少なく
とも他の２個の検出素子の磁界変化による出力信号に基
づき、およびＺ軸方向の加速度を全ての前記検出素子の
出力信号に基づき、それぞれ検出することを特徴とす
る。すべての検出素子を同一平面内に構成することによ
り、１軸型のものを３個組み合わせる構成と比較すると
格段に小型化されるとともに、ダイナミックレンジが大
きな三次元加速度センサとすることができるので、汎用
性も向上する。
【００１９】本発明の請求項２に記載の発明は、三次元
の自由度を持つ振動系として基体に連接された振動子
と、Ｘ，Ｙ，Ｚの直交空間座標軸のＺ軸上に軸線を含ま
せて前記振動子に取り付けられ外部からの加速度によっ
て変位可能な質点の磁性体と、少なくともＸ軸及びＹ軸
の上であって前記直交空間座標軸の原点周りの同心円上
にそれぞれ中心を持ち前記磁性体の変位による磁界の変
化を検知する４個の検出素子を備え、Ｘ軸上の２個の検
出素子の磁界変化による出力電圧の相対差によりＸ軸方
向の加速度を、Ｙ軸上の２個の検出素子の磁界変化によ
る出力電圧の相対差によりＹ軸方向の加速度を、及び全
ての検出素子の出力電圧の総和によりＺ軸方向の加速度
を、それぞれ検出可能としてなることを特徴とする。
【００２０】このようにすべての検出素子を同一平面内
に構成することにより、１軸型のものを３個組み合わせ
る構成と比較すると格段に小型化されるとともに、ダイ
ナミックレンジが大きな三次元加速度センサとすること
ができるので、汎用性も向上する。
【００２１】本発明の請求項３に記載の発明は、Ｘ軸及
びＹ軸上のそれぞれの２個の検出素子に加えて、前記直
交空間座標軸の原点に対して互いに点対称となる配置で
あって隣接するものどうしが干渉しない関係として複数
の検出素子の組を配列し、互いに点対称の配置関係の一
対の検出素子の磁界変化による出力電圧の相対差によ
り、点対称方向の加速度を検出可能としてなるものであ
り、Ｘ軸及びＹ軸の方向だけでなくＸ−Ｙ平面内で少な
くとも３方向以上の加速度を検出することができるとい
う作用を有する。
【００２２】本発明の請求項４に記載の発明は、、前記
検出素子が、コイルであり、電磁誘導によって出力電圧
を得ることができるという作用を有する。
【００２３】本発明の請求項５に記載の発明は、前記コ
イルの下側に、前記磁性体からの磁束を吸引捕捉して前
記磁束がコイルのほぼ中心を横切る向きに矯正可能な下
部磁性層を備えてなる加速度センサであり、下部磁性層
による磁束の検出素子の中心への集中によって検出素子
に励起される出力電圧をより大きくでき、加速度検出精
度を向上させるという作用を有する。
【００２４】本発明の請求項６に記載の発明は、前記検
出素子が、磁気抵抗効果型素子であり、磁気抵抗効果に
よって出力電圧を得ることができるという作用を有す
る。
【００２５】本発明の請求項７に記載の発明は、前記磁
気抵抗効果型素子の前記磁性体側の側面に、前記磁性体
の磁束を吸引捕捉して前記磁束が磁気抵抗効果型素子を
横切る向きに矯正可能な捕捉磁性層を備えてなる加速度
センサであり、捕捉磁性層による磁束の磁気抵抗効果型
素子への集中によって磁気抵抗効果型素子から得られる
出力電圧をより大きくでき、加速度検出精度を向上させ
るという作用を有する。
【００２６】本発明の請求項８に記載の発明は、前記検
出素子を表面に形成する下層基板と、この下層基板の上
に積層され前記検出素子を含む容量の空洞部とこの空洞
部の上端の隔壁を前記振動子とした中間層基板と、この
中間層基板の上に積層され前記振動子に臨む部分を凹ま
せキャビティとした上層基板とを備え、これらの各基板
と前記検出素子と磁性体及び下部磁性層をそれぞれ半導
体薄膜形成プロセスによって成形してなる加速度センサ
であり、基板を積層する構成であっても検出素子は同一
平面内に含まれているので、積層方向の厚さを抑えるこ
とができるという作用を有する。
【００２７】本発明の請求項９に記載の発明は、前記コ
イルを表面に形成する下層基板と、この下層基板の上に
積層され前記コイルを含む容量の空洞部とこの空洞部の
上端の隔壁を前記振動子とした中間層基板と、この中間
層基板の上に積層され前記振動子に臨む部分を凹ませ、
キャビティとした上層基板とを備え、これらの各基板と
前記コイルと磁性体及び下部磁性層をそれぞれ半導体薄
膜形成プロセスによって成形してなる加速度センサであ
り、基板を積層する構成であってもコイルは同一平面内
に含まれているので、積層方向の厚さを抑えることがで
きるという作用を有する。
【００２８】本発明の請求項１０に記載の発明は、前記
磁気抵抗効果型素子を表面に形成する下層基板と、この
下層基板の上に積層され前記磁気抵抗効果型素子を含む
容量の空洞部とこの空洞部の上端の隔壁を前記振動子と
した中間層基板と、この中間層基板の上に積層され前記
振動子に臨む部分を凹ませ、キャビティとした上層基板
とを備え、これらの各基板と前記磁気抵抗効果型素子と
磁性体及び下部磁性層をそれぞれ半導体薄膜形成プロセ
スによって成形してなる加速度センサであり、基板を積
層する構成であってもコイルは同一平面内に含まれてい
るので、積層方向の厚さを抑えることができるという作
用を有する。
【００２９】本発明の請求項１１に記載の発明は、前記
磁性体を高透磁率材料に換えて前記記載のすべての検出
素子の周りを囲む形で加振コイルを配し、これに外部よ
り交番電流を流す。これにより、すべての検出部に同一
周波数の信号が発生することになる。この状態で振動子
である磁性体が外部から力をうけると、その変位によ
り、Ｘ、Ｙ軸方向のそれぞれの対向する検出素子の出力
電圧に相対差が発生し、同様に加速度を検出する事がで
きるという作用を有する。
【００３０】本発明の請求項１２に記載の発明は、前記
磁性体を高透磁率材料に換えて前記記載のすべてのコイ
ルの周りを囲む形で加振コイルを配し、これに外部より
交番電流を流す。これにより、すべてのコイルに同一周
波数の信号が発生することになる。この状態で振動子で
ある磁性体が外部から力をうけると、その変位により、
Ｘ、Ｙ軸方向のそれぞれの対向するコイルの出力電圧に
相対差が発生し、同様に加速度を検出する事ができると
いう作用を有する。
【００３１】本発明の請求項１３に記載の発明は、前記
磁性体を高透磁率材料に換えて前記記載のすべての磁気
抵抗効果型素子の周りを囲む形で加振コイルを配し、こ
れに外部より交番電流を流す。これにより、すべての磁
気抵抗効果型素子に同一周波数の信号が発生することに
なる。この状態で振動子である磁性体が外部から力をう
けると、その変位により、Ｘ、Ｙ軸方向のそれぞれの対
向する磁気抵抗効果型素子の出力電圧に相対差が発生
し、同様に加速度を検出する事ができるという作用を有
する。
【００３２】本発明の請求項１４に記載の発明は、前記
検出素子を表面に形成する下層基板と、この下層基板の
上に積層され前記検出素子を含む容量の空洞部とこの空
洞部の上端の隔壁を前記振動子とした中間層基板と、こ
の中間層基板の上に積層され前記振動子に臨む部分を凹
ませキャビティとした上層基板とを備え、これらの各基
板と前記検出素子と磁性体及び下部磁性層をそれぞれ半
導体薄膜形成プロセスによって成形してなる加速度セン
サにおいて、前記磁性体を高透磁率材料に換えて前記記
載のすべての検出素子の周りを囲む形で加振コイルを配
し、これに外部より交番電流を流す。これにより、すべ
ての検出部に同一周波数の信号が発生することになる。
この状態で振動子である磁性体が外部から力をうける
と、その変位により、Ｘ、Ｙ軸方向のそれぞれの対向す
る検出素子の出力電圧に相対差が発生し、同様に加速度
を検出する事ができるという作用を有する。
【００３３】以下、本発明の実施の形態について説明す
る。
【００３４】（実施の形態１）図１〜図４（ｂ）を参照
して本発明の第一の実施の形態における加速度センサを
説明する。
【００３５】図１は本発明の第１の実施の形態における
検出素子としてコイルを用いた場合の加速度センサの要
部を示す概略図、図２は同要部を示す縦断面図である。
【００３６】加速度センサは、図２の縦断面図に示すよ
うに、下層基板１，中間層基板２及び上層基板３の積層
体構造を持つ。これらの３層の基板１〜３は、従来の技
術の項で説明したように半導体薄膜製造技術を利用して
形成されるものである。ここで半導体薄膜製造技術と
は、半導体集積回路、薄膜磁気ヘッド、マイクロ磁気デ
バイス、マイクロマシン等を製造するために応用される
周知の微細加工技術である。半導体薄膜製造技術は成膜
技術、フォトリソグラフィ技術、およびエッチング技術
等の微細加工技術を含む。成膜技術としては蒸着法、ス
パッタリング法、気相成長（ＣＶＤ）法、メッキ法等が
知られている。これらの方法で形成された薄膜またはシ
リコン単結晶ウエハのようなバルク材料はフォトリソグ
ラフィ技術とエッチング技術によりパターン加工され
る。エッチング技術としてはイオンミリング法や化学エ
ッチング法等が知られている。
【００３７】中間層基板２はその内部を空洞部２ａと
し、上層基板３はこの空洞部２ａに対応する部分を凹ま
せたキャビティ３ａを形成した縦断面形状を持つ。そし
て、中間層基板２の上端であって空洞部２ａとキャビテ
ィ３ａとの境界に位置する部分には、薄膜プレート状の
振動子２ｂを形成している。この振動子２ｂは、図１に
示すように正方形の平面形状を持ち、その平面外郭の各
辺の中央部を好ましくはＬ字状の平面形状のステー２ｃ
によって中間層基板２の上端部と連ねたものである。
【００３８】すなわち、振動子２ｂの周りは中間層基板
２の上面とは分断されて捩じれ及び撓みの弾性変形が容
易な４本のステー２ｃによって支持され、これらのステ
ー２ｃのＬ字形状と振動子２ｂとの連結位置の関係によ
って、振動子２ｂは三次元的な捩じれを伴う振動が可能
である。
【００３９】振動子２ｂの下面には磁性体４として永久
磁石を設ける。この磁性体４は、各基板１〜３と同様に
半導体薄膜製造技術によって形成するか、または微小磁
石を接着等の方法で振動子２ｂに接合して形成すればよ
い。たとえば、半導体薄膜製造技術を用いる場合では、
振動子２ｂを形成した後に、メッキ法または蒸着法によ
って振動子２ｂの下面に磁性材料を積層し、積層後に強
磁界中で着磁させて永久磁石とする。そして、磁性体４
は、加速度センサが変位するときの慣性力によって振動
子２ｂを十分に変形させるに足る質量を持つものとす
る。
【００４０】下層基板１の表面には合計４個の検出素子
５ａ，６ａ，７ａ，８ａを同様に半導体薄膜製造技術に
よって積層形成する。これらの検出素子５ａ〜８ａはコ
イルであり、振動子２ｂが三次元的に振動するときに磁
性体４の変位により磁界が変化し、各検出素子と鎖交す
る磁束の時間的変化割合に比例した出力電圧を発生可能
としたものである。
【００４１】そして、４個の検出素子５ａ〜８ａによっ
て磁性体４の三次元的な変位を検知できるようにするた
め、振動子２ｂと磁性体４及び各検出素子５ａ〜８ａを
図１に示すＸ，Ｙ，Ｚの直交空間座標に含まれる位置関
係として配置する。
【００４２】すなわち、図１において、検出素子５ａ〜
８ａが形成される下層基板１の表面に原点Ｏを含むＸ，
Ｙ軸の直交座標を持たせ、原点Ｏを通るＺ軸をとる。そ
して、振動子２ｂの中心及び円柱状に形成された磁性体
４の軸線をＺ軸上に位置させ、Ｘ軸上に検出素子５ａ，
６ａを及びＹ軸上に検出素子７ａ，８ａを位置させる。
更に、これらの検出素子５ａ〜８ａは、それぞれの中心
が原点Ｏを中心としてＸ−Ｙ平面上に描かれる一つの円
の上に載るように同心配置されている。
【００４３】このような検出素子５ａ〜８ａの配置によ
って、円柱状の磁性体４が定常位置（振動が負荷されて
いないときの停止位置）にあるときは、磁性体４の下端
と各検出素子５ａ〜８ａまでのＺ軸方向の距離は同じで
あり、Ｚ軸方向の平面視においてもＸ軸及びＹ軸方向の
原点Ｏから各検出素子５ａ〜８ａのそれぞれの中心まで
の距離は等しい。
【００４４】図３（ａ）、３（ｂ）は加速度センサの各
検出素子と永久磁石との位置関係を示す平面図であっ
て、図３（ａ）は図１及び図２の構成における検出素子
５ａ〜８ａの配列を示す。そして、図３（ｂ）はＸ軸，
Ｙ軸上の４個の検出素子５ａ〜８ａに加えて検出素子９
ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａを配列して合計８個とした
例である。
【００４５】図３（ｂ）において、検出素子９ａ，１０
ａの組はＸ軸，Ｙ軸上の検出素子５ａ〜８ａと同心配置
され、Ｘ軸，Ｙ軸とそれぞれ４５°をなす線分上に中心
を持つものである。また、他方の組の検出素子１１ａ，
１２ａについても同様の関係として配列されている。
【００４６】このように、検出素子はＸ軸とＹ軸上の４
個だけでなく、Ｘ−Ｙ平面上に偶数個を設けることがで
きる。そして、このときの条件は、Ｘ軸，Ｙ軸上の検出
素子５ａ〜８ａの中心を通る同心円上であって対をなす
検出素子（たとえば図３（ｂ）では検出素子９ａ，１０
ａの組または検出素子１１ａ，１２ａの組）どうしが原
点Ｏに対して点対称の位置にあり、しかも隣接し合う検
出素子が電磁気学的に干渉しないという２点である。
【００４７】以上の構成において、ロボットアーム等に
取り付けられた加速度センサがア−ムの旋回等の動きに
よって変位すると、磁性体４が質点として一体化されて
いる振動子２ｂが振動する。この振動は変位の方向や単
位時間当たりの変位量の変化割合によって様々なモード
を持って発生し、振動子２ｂはたとえば図１で示したＺ
軸方向のみに単振動したり捩じれる向きの変形を繰り返
す。
【００４８】図４（ａ）、４（ｂ）はＸ軸方向の振動子
２ｂの揺動振動の例を示す概略図であり、図４（ａ）で
は、磁性体４はその下端側が検出素子５ａ側に偏る向き
に傾き、図４（ｂ）では他方の検出素子６ａ側に偏る向
きに傾斜している。このように磁性体４が揺動すると、
検出素子５ａ，６ａに対する磁性体４の相対的な位置が
変わる。図４（ａ）では磁性体４が中央位置から検出素
子５ａ側へ偏った場合、検出素子５ａと鎖交するある一
定の磁束量が増加し、逆に検出素子６ａ側では、ほぼ同
量の磁束量が減少することになる。また、図４（ｂ）の
場合でも、同様の磁束の変化が検出素子の入れ替わった
形で発生することになる。
【００４９】以上のことから、Ｘ軸方向の磁性体４の姿
勢の変化は、Ｘ軸上に中心を持つ２個の検出素子５ａ，
６ａに互いに逆方向にほぼ同一の大きさの鎖交磁束の変
化を発生させることになる。すなわち、磁束の時間的な
変化割合の大きさに比例してこれらの検出素子５ａ，６
ａにはそれぞれ逆方向の出力電圧が励起されるので、仮
に磁性体４が一方の検出素子５ａに偏る動きのときに
は、この検出素子５ａに励起される出力電圧がプラスの
場合、他方の検出素子６ａにはマイナスの同位相、同レ
ベルの出力電圧が発生することになる。したがって、検
出素子５ａ，６ａのそれぞれの出力電圧の相対的な差
（差動出力）の大きさを知れば、磁性体４のＸ軸方向の
加速度をベクトル量として知ることができる。そして、
このような２つのコイル出力電圧の相対的な差（差動出
力）を用いると、それぞれのコイルに発生する同方向、
同位相の外部ノイズを相殺でき微弱信号の検出精度を向
上させる効果もある。
【００５０】また、Ｙ軸上の検出素子７ａ，８ａについ
ても同様であり、これらの検出素子７ａ，８ａのそれぞ
れの出力電圧の相対差を知ることで、磁性体４のＹ軸上
での加速度をベクトル量として検知することができる。
【００５１】そして、各検出素子５ａ〜８ａは原点Ｏ周
りに相互の間の中心角が９０°であってそれぞれの中心
が原点Ｏ周りの同心円上に位置しているので、Ｘ軸方向
及びＹ軸方向のそれぞれの検出出力を合成することによ
って、磁性体４のＸ−Ｙ平面上での全方向の加速度をベ
クトル量として知ることができる。
【００５２】更に、振動子２ｂが上下に撓み変形すると
きには、磁性体４は図１においてＺ軸方向に動き、した
がって各検出素子５ａ〜８ａまでのＺ軸方向の距離が変
化する。このため、磁性体４がＺ軸方向に変位するとき
には、原点ＯからのＺ軸方向の変位に従って各検出素子
５ａ〜８ａと鎖交する磁束に変化が現れ、それぞれに同
じ大きさの出力電圧が発生する。したがって、これらの
検出素子５ａ〜８ａの出力電圧の総和によって、磁性体
４のＺ軸方向の加速度をベクトル量として検知すること
ができる。
【００５３】このように、直交空間座標のＺ軸上に振動
子２ｂの中心と磁性体４の軸線を一致させるとともに、
Ｘ−Ｙ平面上には原点Ｏ周りの同心円上のＸ軸及びＹ軸
のそれぞれに４個の検出素子５ａ〜８ａを配置すること
によって、それぞれＸ，Ｙ，Ｚの各軸についての磁性体
４の加速度をベクトル量として捉うことができる。
【００５４】そして、磁性体４は三次元の振動モードが
可能な振動子２ｂに連結された質点として作用するの
で、磁性体４の加速度をベクトル量として知ることで、
加速度センサ自身に作用している加速度が空間座標系の
ベクトル量として演算され出力される。
【００５５】また、図３（ｂ）に示したように、Ｘ軸，
Ｙ軸上の４個の検出素子５ａ〜８ａによる検出成分に加
えて、Ｘ軸及びＹ軸とそれぞれ４５°の角度をなす線分
の上に検出素子９ａ〜１２ａによる検出成分を加えるこ
とにより、検出精度を高めることができる。
【００５６】（実施の形態２）図５（ａ）、５（ｂ）を
参照して本発明の第二の実施の形態における加速度セン
サを説明する。
【００５７】図５（ａ）、５（ｂ）は前記の検出素子
（コイル）による加速度ベクトル量の検出効率を更に向
上させる構成を示すもので、Ｘ軸方向の検出素子５ａ，
６ａを例として説明する。
【００５８】図５（ａ）、５（ｂ）において、検出素子
５ａ，６ａのそれぞれの下には接触しない程度の間隔を
開けて磁性体４の磁束を吸収する下部磁性層１３ａ，１
４ａが形成されている。これらの下部磁性層１３ａ，１
４ａは、たとえばＦｅ系，Ｎｉ系またはＣｏ系の合金を
利用した高透磁率の材料を用い、図２に示した下層基板
１の表面に薄膜形成法によって積層形成されたものであ
る。そして、この下部磁性層１３ａ，１４ａと検出素子
５ａ，６ａとの間は非導電層を被膜形成することによっ
て絶縁されている。
【００５９】下部磁性層１３ａ，１４ａは、図示のよう
に、検出素子５ａ，６ａのそれぞれに対して磁性体４側
に偏って配置され、これらの検出素子５ａ，６ａの中心
付近に達する大きさとしたものである。そして、その平
面形状は、たとえば図５（ａ）、５（ｂ）においてＸ軸
方向を長軸とした楕円または長方形とすることができ
る。
【００６０】このような下部磁性層１３ａ，１４ａを備
えることによって、磁性体４の磁束は直に検出素子５
ａ，６ａと交錯しないでこれらの下部磁性層１３ａ，１
４ａに捕捉されるような歪みを持つようになり、検出素
子５ａ，６ａの中心に磁束を集中させることができる。
したがって、図４（ａ）、４（ｂ）に示した検出素子５
ａ，６ａだけの磁束の状況と比較すると、磁束の検出効
率が高くなり、磁性体４のＸ軸方向の加速度ベクトル量
の検出精度を向上させることができる。
【００６１】なお、Ｙ軸上の検出素子７ａ，８ａにも同
様の配置としてそれぞれ下部磁性層を設けることによっ
て、Ｙ軸方向の磁性体４の加速度ベクトル量の検出精度
の向上が可能である。したがって、磁束を捉えて検出素
子５ａ〜８ａの中心を抜けて横切る磁路を形成させるこ
とで、加速度センサによる加速度の検出精度が大幅に改
善される。
【００６２】（実施の形態３）本発明の第３の実施の形
態における加速度センサについて図６〜図９（ｂ）、１
２（ａ）〜図１３を参照して説明する。本実施の形態
は、検出素子を磁気抵抗素子（以下磁気抵抗効果型素
子）に変更した場合の例である。
【００６３】ここで、補足のために磁気抵抗効果型素子
と磁気抵抗効果について、その概要を簡単に説明してお
く。磁気抵抗効果型素子は、素子の電気抵抗が印加磁界
の極性に関係なく外部磁界の強度に対応して抵抗値変化
を示すものであり、磁束感応型センサとも言える。また
電磁誘導型センサと違い、外部磁界の速度変化に依存せ
ず、磁性体の位置で決まる磁束の強度のみに対応した高
い出力が得られることが知られている。
【００６４】以下に、その動作原理を説明する。図１２
（ａ）は、薄膜ＭＲセンサの原理的構成図を示すもので
あり、強磁性薄膜の磁気抵抗効果型素子の容易軸方向
（異方性磁界Ｈｋの方向）と検出電流２１（Ｉs）の方
向を一致させ、磁気抵抗効果型素子面内で検出電流Ｉs
と直角方向に磁石からの信号磁界Ｈｓを印加するするよ
うな構成とする。検出電流２１（Ｉs）は一対の検出端
子１５から供給される。磁気抵抗効果型素子の比抵抗変
化△ρと検出される出力電圧ｅとの関係は、（数１）、
（数２）で表される。
【００６５】
【数１】
【００６６】
【数２】
【００６７】ここで、 ｅ：出力電圧 △ρ：比抵抗変化 Ｊ：磁気抵抗効果型素子の電流密度 Iｓ：容易軸方向の検出電流 ｗ,ｔ,Ｌ：磁気抵抗効果型素子の幅、厚さ、長さ （数１）より磁気抵抗効果型素子の出力電圧は、電流密
度Ｊと比抵抗変化△ρが大きいほど出力電圧としては大
きな値が得られることになる。比抵抗変化△ρは、（数
３）、（数４）で表される。
【００６８】
【数３】
【００６９】
【数４】
【００７０】ここで、 θ：容易軸の方向（Ｈｋ）と磁化の方向（Ｈk＋Ｈｄ）
のなす角 △ρmａx：比抵抗変化の最大値 Ｈｓ：外部信号磁界 Ｈｂ：バイアス磁界（一定） Ｈｋ：磁気抵抗効果型素子の異方性磁界 Ｈｄ：反磁界 出力電圧に関係する比抵抗変化△ρの重要なパラメータ
は、バイアス磁界である。バイアス磁界Ｈｂは、図１２
（ｂ）で示すように磁気抵抗効果型素子に近接して配さ
れたバイアス素子１７に磁気抵抗効果型素子の異方性磁
界Ｈｋと逆方向に流れるバイアス電流によってできる一
定の磁界１９である。なおバイアス電流１８は一対のバ
イアス端子１６から供給される。図１２（ａ）、１２
（ｂ）では磁気抵抗効果型素子中の検出電流２１（Ｉ
s）と異方性磁界ＨｋはＸ軸方向、バイアス磁界Ｈｂは
Ｙ軸方向、外部信号磁界Ｈｓは矢印２０の向きに変化す
る場合を示す。
【００７１】図１３は、作用磁界Ｈｙ=（Ｈｓ＋Ｈｂ）
に対する比抵抗変化△ρの変化（言い換えれば出力の変
化）の関係を表したものである。図１３より、外部信号
磁界Ｈｓの変化により△ρの変化が最大で、且つ波形ひ
ずみの少ない直線性となるためのバイアス磁界Ｈｂの大
きさは、外部信号磁界が無い状態でθ＝４５°前後とす
ることが好ましいことがわかる。
【００７２】さて、本実施の形態では具体的には、実施
の形態１における図１〜図５（ｂ）の中で検出素子とし
て用いた検出素子５ａ〜１２ａを図６〜図１０（ｂ）に
示すように磁気抵抗効果型素子５ｂ〜１２ｂに変更した
状態であり、他の構成はコイルの場合とほぼ同じである
あるから詳細な説明は省略する。
【００７３】本実施の形態では検出素子に磁気抵抗効果
型素子を用いることにより、外部の加速度が極めて小さ
く、動きの遅い場合でも十分な出力電圧を得ることがで
き、より高感度な加速度センサを実現するものである。
【００７４】（実施の形態４）本発明の第４の実施の形
態における加速度センサについて図１０（ａ）、１０
（ｂ）を参照して説明する。
【００７５】図１０（ａ）、１０（ｂ）では、図５
（ａ）、５（ｂ）の下部磁性層１３ａ、１４ａとは異な
り、磁気抵抗効果型素子５ｂ，６ｂのそれぞれの磁性体
側の側面に平行に接触しない程度の間隔を開けて、磁性
体４の磁束を吸収する捕捉磁性層１３ｂ，１４ｂが配さ
れる構造とすることによって磁気抵抗効果型素子が、外
部磁束を検出する効率を飛躍的に高めることができる。
コイルの出力電圧が鎖交磁束の時間的な変化割合によっ
て決まるのに対して、磁気抵抗効果型素子は、鎖交磁束
の絶対値によって出力電圧が決まるため、外部の加速度
が極めて小さく、動きの遅い場合でも十分な出力電圧を
得ることができることになり、より高感度な加速度セン
サを実現することができる。
【００７６】（実施の形態５）本発明の第５の実施の形
態における加速度センサについて図１１を参照して説明
する。
【００７７】本実施の形態は図１１のように、図１ある
いは図６の磁性体４を高透磁率材料からなる磁性体２２
に換えるとともに、図１あるいは図６に示す検出素子
（４ａ〜８ａまたは４ｂ〜８ｂ）の周りに加振コイル２
３を巻き、これに交番電流２４を流す構成にした実施の
形態を示すものである。この構成では、磁束の発生源が
加振コイル２３であり、磁束は中央の高透磁率磁性体２
２に集中するため、前記の永久磁石とほぼ同じ磁路構成
となる。この場合、磁束の方向が交番電流２４によって
常に変化するため、得られる信号は加速度信号の出力電
圧に交番電流２４による基本信号を重ねたものとなる。
したがって、この方法でも各検出素子から得られた信号
を演算する事で加速度信号を得ることが可能となる。
【００７８】
【発明の効果】以上詳述したように本発明は磁性体と検
出素子の新規な配置により、電磁誘導型の特徴である広
いダイナミックレンジを有し、三次元の動きや変位量を
高精度で且つ高感度に検知でき、しかも小型化が可能な
加速度センサを提供する。
【００７９】また、検出素子の数を追加することによ
り、検出精度を向上させることができる。
【００８０】また検出素子に磁気抵抗効果型素子を用い
ることにより、外部の加速度が極めて小さく、動きの遅
い場合でも十分な出力電圧を得ることができ、より高感
度な加速度センサを実現できる。
【００８１】さらに、検出素子の近傍に磁束を収束する
下部磁性層あるいは捕捉磁性層を備えることにより検出
素子の加速度検出の精度をさらに一層向上させることが
できる。
【００８２】このような特徴のために、本発明による三
次元加速度センサは、小型精密機械の微小な変位の位置
検出から大型のロボットハンド等についても対応できる
という汎用性の高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における検出素子と
してコイルを用いた場合の加速度センサの要部を示す概
略図
【図２】本発明の第１の実施の形態における検出素子と
してコイルを用いた場合の加速度センサの要部を示す縦
断面図
【図３】（ａ）本発明の第１の実施の形態における加速
度を検出する４個のコイルと磁性体との位置関係を示し
た平面図 （ｂ）本発明の第１の実施の形態における加速度を検出
するコイル数を８個に増やした場合の他の実施の形態の
平面図
【図４】（ａ）本発明の第１の実施の形態におけるＸ軸
方向に配列した２個のコイルに対する磁性体の姿勢変動
に伴う磁束の変化を示す概略図 （ｂ）本発明の第１の実施の形態におけるＸ軸方向に配
列した２個のコイルに対する磁性体の姿勢変動に伴う磁
束の変化を示す概略図
【図５】（ａ）本発明の第２の実施の形態における検出
用コイルの下に下部磁性層を配置したときの磁束の変化
を示す概略図 （ｂ）本発明の第２の実施の形態における検出用コイル
の下に下部磁性層を配置したときの磁束の変化を示す概
略図
【図６】本発明の第３の実施の形態における検出素子が
磁気抵抗効果型素子である場合の加速度センサの要素を
示す概略図
【図７】本発明の第３の実施の形態における検出素子と
して磁気抵抗効果型素子を用いた場合の加速度センサの
要部を示す縦断面図
【図８】（ａ）本発明の第３の実施の形態における加速
度を検出する４個の磁気抵抗効果型素子と磁性体との位
置関係を示した平面図 （ｂ）本発明の第３の実施の形態における加速度を検出
する磁気抵抗効果型素子の数を８個に増やした場合の他
の実施の形態の平面図
【図９】（ａ）本発明の第３の実施の形態におけるＸ軸
方向に配列した２個の磁気抵抗効果型素子に対する磁性
体の姿勢変動に伴う磁束の変化を示す概略図 （ｂ）本発明の第３の実施の形態におけるＸ軸方向に配
列した２個の磁気抵抗効果型素子に対する磁性体の姿勢
変動に伴う磁束の変化を示す概略図
【図１０】（ａ）本発明の第４の実施の形態における磁
気抵抗効果型素子の磁性体側の側面に捕捉磁性層を配置
したときの磁束の変化を示す概略図 （ｂ）本発明の第４の実施の形態における磁気抵抗効果
型素子の磁性体側の側面に捕捉磁性層を配置したときの
磁束の変化を示す概略図
【図１１】図１と図６に示す磁性体として高透磁率材料
を用いるとともに、検出素子の周りにコイルを巻き、こ
れに交番電流を流す構成にした場合の本発明の第５の実
施の形態における概略図
【図１２】（ａ）磁石からの外部信号磁界を受けたとき
磁気抵抗効果型素子内の磁化方向の変化を示した略図 （ｂ）バイアス電極の配置例及びバイアス磁界を印加し
た場合の説明図
【図１３】磁気抵抗効果型素子の比抵抗変化および出力
電圧と作用磁界との関係を表した説明用グラフ
【符号の説明】
１ 下層基板 ２ 中間層基板 ２ａ 空洞部 ２ｂ 振動子 ２ｃ ステー ３ 上層基板 ３ａ キャビティ ４ 磁性体 ５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａ、１１ａ、１２
ａ 検出素子 ５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂ、１１ｂ、１２
ｂ 磁気抵抗効果型素子 １３ａ、１４ａ 下部磁性層 １３ｂ、１４ｂ 捕捉磁性層 １５、１６ リード線 １７ バイアス素子 １８ バイアス電流 １９ 磁界 ２１ 検出電流 ２２ 高透磁率磁性体 ２３ 加振コイル ２４ 交番電流

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基体と、三次元の自由度を持つ振動系とし
    て前記基体に連接された振動子と、前記振動子に取り付
    けられた磁性体と、前記磁性体の変位による磁界の変化
    を検知する少なくとも４個の検出素子と、を備え、Ｘ、
    Ｙ、Ｚの直交空間座標軸のＸ軸方向の加速度を前記検出
    素子のうち少なくとも２個の検出素子の磁界変化による
    出力信号に基づき、Ｙ軸方向の加速度を前記検出素子の
    うち少なくとも他の２個の検出素子の磁界変化による出
    力信号に基づき、およびＺ軸方向の加速度を前記検出素
    子の出力信号に基づき、それぞれ検出することを特徴と
    する加速度センサ。
  2. 【請求項２】三次元の自由度を持つ振動系として基体に
    連接された振動子と、Ｘ，Ｙ，Ｚの直交空間座標軸のＺ
    軸上に軸線を含ませて前記振動子に取り付けられ外部か
    らの加速度によって変位可能な質点の磁性体と、少なく
    ともＸ軸及びＹ軸の上であって前記直交空間座標軸の原
    点周りの同心円上にそれぞれ中心を持ち前記磁性体の変
    位による磁界の変化を検知する４個の検出素子と、を備
    え、Ｘ軸上の２個の検出素子の磁界変化による出力電圧
    の相対差によりＸ軸方向の加速度を、Ｙ軸上の２個の検
    出素子の磁界変化による出力電圧の相対差によりＹ軸方
    向の加速度を、及び全ての検出素子の出力電圧の総和に
    よりＺ軸方向の加速度を、それぞれ検出可能としてなる
    ことを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ。
  3. 【請求項３】Ｘ軸及びＹ軸上のそれぞれの２個の前記検
    出素子に加えて、前記直交空間座標軸の原点に対して互
    いに点対称となる配置であって隣接するものどうしが干
    渉しない関係として複数の検出素子の組を配列し、互い
    に点対称の配置関係の一対の検出素子の磁界変化による
    出力電圧の相対差により、点対称方向の加速度を検出可
    能としてなることを特徴とする請求項２に記載の加速度
    センサ。
  4. 【請求項４】前記検出素子がコイルであることを特徴と
    する請求項２または３に記載の加速度センサ。
  5. 【請求項５】前記検出素子の下側に、前記磁性体の磁束
    を吸引捕捉して前記磁束が検出素子のほぼ中心を横切る
    向きに矯正可能な下部磁性層を備えてなる請求項４に記
    載の加速度センサ。
  6. 【請求項６】前記検出素子が磁気抵抗効果型素子である
    ことを特徴とする請求項２または３に記載の加速度セン
    サ。
  7. 【請求項７】前記検出素子の前記磁性体側に、前記磁性
    体の磁束を吸引捕捉して前記磁束が検出素子のほぼ中心
    を横切る向きに矯正可能な捕捉磁性層を備えてなること
    を特徴とする請求項６に記載の加速度センサ。
  8. 【請求項８】前記検出素子を表面に形成する下層基板
    と、この下層基板の上に積層され、前記検出素子を含む
    容量の空洞部とこの空洞部の上端の隔壁を前記振動子と
    した中間層基板と、この中間層基板の上に積層され前記
    振動子に臨む部分を凹ませ、キャビティとした上層基板
    と、を備え、これらの各基板と前記検出素子と磁性体及
    び下部磁性層をそれぞれ半導体薄膜形成プロセスによっ
    て成形してなることを特徴とする請求項２、３、５、７
    のいずれかに記載の加速度センサ。
  9. 【請求項９】前記検出素子を表面に形成する下層基板
    と、この下層基板の上に積層され前記検出素子を含む容
    量の空洞部とこの空洞部の上端の隔壁を前記振動子とし
    た中間層基板と、この中間層基板の上に積層され前記振
    動子に臨む部分を凹ませ、キャビティとした上層基板
    と、を備え、これらの各基板と前記検出素子と磁性体及
    び下部磁性層をそれぞれ半導体薄膜形成プロセスによっ
    て成形してなることを特徴とする請求項４に記載の加速
    度センサ。
  10. 【請求項１０】前記検出素子を表面に形成する下層基板
    と、この下層基板の上に積層され前記検出素子を含む容
    量の空洞部とこの空洞部の上端の隔壁を前記振動子とし
    た中間層基板と、この中間層基板の上に積層され前記振
    動子に臨む部分を凹ませ、キャビティとした上層基板
    と、を備え、これらの各基板と前記検出素子と磁性体及
    び下部磁性層をそれぞれ半導体薄膜形成プロセスによっ
    て成形してなることを特徴とする請求項６に記載の加速
    度センサ。
  11. 【請求項１１】前記磁性体が高透磁率材料からなり、前
    記記載のすべての検出素子の周りを囲む形で加振コイル
    が配されることを特徴とする請求項２、３、５、７、
    ９、または１０のいずれかに記載の加速度センサ。
  12. 【請求項１２】前記磁性体が高透磁率材料からなり、前
    記記載のすべての検出素子の周りを囲む形で加振コイル
    が配されることを特徴とする請求項４に記載の加速度セ
    ンサ。
  13. 【請求項１３】前記磁性体が高透磁率材料からなり、前
    記記載のすべての検出素子の周りを囲む形で加振コイル
    が配されることを特徴とする請求項６に記載の加速度セ
    ンサ。
  14. 【請求項１４】前記磁性体が高透磁率材料からなり、前
    記記載のすべての検出素子の周りを囲む形で加振コイル
    が配されることを特徴とする請求項８に記載の加速度セ
    ンサ。
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