JP2000019034A - Magnetic field detecting sensor - Google Patents
Magnetic field detecting sensorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車分野や工業
用ロボット、製鉄圧延機、生産機械、ＯＡ機器等のメカ
トロニクス分野において、トルク制御のためのシャフト
のトルク検出等に利用可能な磁界検出センサに関し、特
に、磁歪の逆効果を有するシャフトの捩りトルクによる
磁界変化を検出するトルクセンサに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic field detection sensor which can be used for detecting torque of a shaft for controlling torque in a field of mechatronics such as an automobile field, an industrial robot, an iron mill, a production machine, and an OA machine. More particularly, the present invention relates to a torque sensor for detecting a magnetic field change due to a torsional torque of a shaft having an adverse effect of magnetostriction.
【０００２】[0002]
【従来の技術】シャフト表面に捩りトルク印加に伴って
発生する歪を磁歪の逆効果を利用してトルク検出するセ
ンサに関しては、１９６０年にO.Dahle(ASEA Journal,V
ol.32,pp.23-32）により提案されて以来、現在に至るま
でに様々な磁歪式トルクセンサが発表されている。2. Description of the Related Art In 1960, O. Dahle (ASEA Journal, V.A.) disclosed a sensor for detecting a torque generated by applying a torsional torque to a shaft surface by using a reverse effect of magnetostriction.
ol.32, pp.23-32), various magnetostrictive torque sensors have been announced to date.
【０００３】これらのセンサにおいて、発生したトルク
を高感度に検出するため、磁気特性に優れた被測定体
（例えば、高透磁率な磁歪部）の実現が要求されてお
り、被測定体であるシャフト（トルク伝達軸）に工夫を
凝らしている。例えば、シャフトにアモルファス薄帯を
貼り付ける方法、レーザーによりシャフトの表面改質を
行う方法、プラズマ溶射、スパッタリング、メッキによ
る磁性体層をシャフトの表面に形成する方法などがあ
る。[0003] In these sensors, in order to detect the generated torque with high sensitivity, it is required to realize an object to be measured having excellent magnetic characteristics (for example, a magnetostrictive portion having a high magnetic permeability). The shaft (torque transmission shaft) is devised. For example, there are a method of attaching an amorphous ribbon to the shaft, a method of modifying the surface of the shaft with a laser, and a method of forming a magnetic layer on the surface of the shaft by plasma spraying, sputtering, or plating.
【０００４】また、磁歪式トルクセンサの検知素子部と
しては、大別して、シャフトに巻線を施した同軸タイプ
（全周コイル型トルクセンサ）と、コの字形のコアに巻
線を施した磁気ヘッド型トルクセンサが知られている。
これらの磁歪式トルクセンサの原理・原則、検知部構成
は良く知られており、現在、より高精度なトルク検出の
ために、シャフトの構成自体に改良を加える場合が殆ど
である。[0004] The sensing element of the magnetostrictive torque sensor is roughly classified into a coaxial type (a full-circle coil type torque sensor) in which a shaft is wound and a magnetic field in which a U-shaped core is wound. A head type torque sensor is known.
The principle and principle of these magnetostrictive torque sensors and the configuration of the detection unit are well known, and at present, the shaft configuration itself is often improved for more accurate torque detection.
【０００５】また、トルク印加による直流微少磁界の変
化を磁界検出素子で検出する簡便な方式のトルクセンサ
がGarshelis ら（米国）により提案されている(IEEE Tr
ans.Magn.,vol1.28,NO.5,pp2202-2204,1992)。これは、
鋼材ベーストルク伝達軸に磁歪リングを装着し、ホール
素子によって磁歪リングの端部にトルクに比例して発生
する磁極の強さを非接触で検出する方式であり、従来と
は異なった検出方法として注目されている。A simple type of torque sensor for detecting a change in a DC minute magnetic field due to the application of a torque by a magnetic field detecting element has been proposed by Garshelis et al. (USA) (IEEE Tr.
ans.Magn., vol1.28, NO.5, pp2202-2204, 1992). this is,
A method in which a magnetostrictive ring is attached to the steel base torque transmission shaft, and the strength of the magnetic pole generated in proportion to the torque at the end of the magnetostrictive ring is detected in a non-contact manner by a Hall element. Attention has been paid.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、被測定
体であるシャフトにアモルファス薄帯を貼着したり、プ
ラズマ溶射等により磁性体層をシャフトの表面に形成
し、また、センサの検知素子部として上述のようにシャ
フトに巻線を施した同軸タイプやコ字形のコアに巻線を
施した磁気ヘッド形タイプを用いた磁歪式トルクセンサ
は、信頼性、低コストという面で問題があった。However, an amorphous ribbon is adhered to the shaft as the object to be measured, a magnetic layer is formed on the surface of the shaft by plasma spraying or the like, and the magnetic sensor is used as a sensing element portion of the sensor. As described above, the magnetostrictive torque sensor using the coaxial type in which the shaft is wound on the shaft and the magnetic head type in which the U-shaped core is wound on the core has problems in reliability and low cost.
【０００７】さらに、検知素子部が同軸タイプの場合に
は、センサをシャフトに装着の時にシャフトの接続を切
断する必要があることにより、装着の簡便性という点で
問題となる。Further, when the sensor element is of the coaxial type, the connection of the shaft must be disconnected when the sensor is mounted on the shaft, which poses a problem in terms of simplicity of mounting.
【０００８】また、検知素子部が磁気ヘッド形タイプの
場合には、外づけ可能であるため、上記同軸タイプのよ
うに装着性に関して問題はないが、シャフト上での検出
領域が限定され、シャフト周面上で磁気特性にバラツキ
があると、シャフトの回転に伴って出力が変動してしま
い、高精度の検出ができないという問題が生じる。When the sensing element is of a magnetic head type, it can be attached externally, so that there is no problem with the mountability as in the above-mentioned coaxial type, but the detection area on the shaft is limited, If there is variation in the magnetic characteristics on the peripheral surface, the output fluctuates with the rotation of the shaft, causing a problem that high-precision detection cannot be performed.
【０００９】一方、I.J.Garshelis が提案している方式
のトルクセンサでは、磁界検出素子として感度が悪いホ
ール素子を用いており検出感度が悪い。さらにシャフト
に装着される磁歪リングは、その円周方向において磁界
特性にバラツキが起こることを完全に防止することはで
きず、シャフトが回転すると回転に伴ってセンサ出力が
変動してしまい、高精度の検出ができないと言う問題が
ある。On the other hand, in the torque sensor of the type proposed by IJ Garshelis, a Hall element having low sensitivity is used as a magnetic field detecting element, and the detection sensitivity is low. Furthermore, the magnetostrictive ring attached to the shaft cannot completely prevent variations in the magnetic field characteristics in the circumferential direction, and when the shaft rotates, the sensor output fluctuates with rotation, resulting in high accuracy. There is a problem that cannot be detected.
【００１０】上記課題を達成するために本発明は、簡便
・低コストで、被測定体の磁気特性の分布に起因する出
力変動を防止可能な高感度で信頼性に優れた磁界検出セ
ンサを提供することを目的とする。In order to achieve the above object, the present invention provides a highly sensitive and highly reliable magnetic field detection sensor which is simple, low-cost, and capable of preventing output fluctuations due to the distribution of magnetic characteristics of a device under test. The purpose is to do.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、円周方向に平行な磁気異方性を有する円筒
部を有するシャフトの該円筒部の端部に発生する漏洩磁
界の変化を検出する磁界検出センサであり、基板上に線
状に形成された磁性体層と、その表面の少なくとも一部
が該磁性体層と接するように形成され両端が高周波電流
源に接続される導電層と、を備え、前記磁性体層が、そ
の長手方向と直交する方向に磁気異方性を有する線状の
積層型センサ素子を有する。そして、前記基板として可
撓性基板を用い、該可撓性基板を前記シャフトの周面に
沿わせて曲げて、前記積層型センサ素子を前記円筒部の
端部に沿って配置し、前記円筒部の端部からの漏洩磁界
の変化を検出することを特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above object, the present invention provides a shaft having a cylindrical portion having magnetic anisotropy parallel to the circumferential direction. A magnetic field detection sensor that detects a change, a magnetic layer formed linearly on a substrate, and at least a part of the surface thereof is formed so as to be in contact with the magnetic layer, and both ends are connected to a high-frequency current source. And a conductive layer, wherein the magnetic layer has a linear stacked sensor element having magnetic anisotropy in a direction orthogonal to the longitudinal direction. Then, a flexible substrate is used as the substrate, and the flexible substrate is bent along the peripheral surface of the shaft, and the stacked sensor element is arranged along an end of the cylindrical portion, and And detecting a change in a leakage magnetic field from an end of the portion.
【００１２】本発明では、磁界検出センサとして、円筒
部の端部からの漏洩磁界をインピーダンスの変化として
検出する原理の磁気インピーダンスセンサを用いてい
る。このため、微小な磁界の変化を簡易かつ低コストで
高感度に検出することが可能となっている。In the present invention, a magnetic impedance sensor based on the principle of detecting a leakage magnetic field from an end of a cylindrical portion as a change in impedance is used as a magnetic field detection sensor. For this reason, it is possible to easily detect small changes in the magnetic field at low cost and with high sensitivity.
【００１３】例えば、上述のGrashelis らの提案では、
シャフト等に設けられる円筒部としてシャフトと別体の
磁歪部材として磁歪リングを用いているが、この磁歪リ
ングの磁気特性を優れたものにするために、磁歪を有し
かつ高飽和磁化材料であるパーメンジュール（Ｆｅ−Ｃ
ｏ）を用いている。しかし、この材料は加工性に乏しく
高コストであるため、例えば自動車用トルクセンサ等の
加工性がよく低コストであることが要求される用途には
問題となる。また、その他の高飽和磁化材料であるケイ
素鋼板、電磁ステンレス鋼などを磁歪リングとして用い
た場合にも、コスト面で不利となる。For example, in the above-mentioned proposal of Grashelis et al.,
A magnetostrictive ring is used as a magnetostrictive member separate from the shaft as a cylindrical portion provided on the shaft or the like. In order to improve the magnetic characteristics of the magnetostrictive ring, the material has magnetostriction and is a highly saturated magnetized material. Permendur (Fe-C
o). However, since this material is poor in workability and is expensive, it is problematic for applications requiring good workability and low cost, such as a torque sensor for an automobile. Further, when a silicon steel plate, an electromagnetic stainless steel, or the like, which is another high saturation magnetization material, is used as the magnetostrictive ring, it is disadvantageous in terms of cost.
【００１４】そこで、磁歪リングも安価な鋼材ベースで
作製される必要が出てくる。ところが、一般的に、鋼材
では機能性よりも機械強度が重視されているので、当
然、その磁気特性は、高飽和磁化材料と比較するとかな
り劣っている。従って、磁歪リングとして鋼材を用いた
場合には、捩りトルクがシャフトに加えられた際、磁歪
リングの端部に生じる磁極から漏れる磁界が小さくなっ
てしまう。また、一層の低コスト化、装着の簡便性の向
上を狙って、シャフトと別体の磁歪リングを用いるので
はなく、鋼材ベースのシャフト自体に加工を施して、回
転軸方向の両端に段差を有する円筒部を作製し、この円
筒部の端部から発生する微弱な漏洩磁界を検出する方式
も考えられる。しかし、いずれの場合にも、円筒部の端
部からの漏洩磁界を検出する磁界検出素子としてホール
素子を利用したのでは、その感度が不十分であるため、
当然、精度及び分解能についても不十分となる。高感度
な磁界検出素子としては磁芯に巻線を施したフラックス
ゲート型センサがあるが、この場合にはコスト高を招く
ことになり、また、リード線の取り出し等、センサが薄
膜素子ではないので、センサの装着性に関しても面倒で
ある。[0014] Therefore, it is necessary that the magnetostrictive ring be made of an inexpensive steel base. However, in general, mechanical strength is more important than functionality in steel materials, so that its magnetic properties are, of course, considerably inferior to highly saturated magnetized materials. Therefore, when a steel material is used as the magnetostrictive ring, when a torsional torque is applied to the shaft, the magnetic field leaking from the magnetic pole generated at the end of the magnetostrictive ring decreases. Also, instead of using a magnetostrictive ring separate from the shaft, aiming at further lowering the cost and improving the simplicity of mounting, the steel-based shaft itself is processed and a step is formed at both ends in the rotation axis direction. A method is also conceivable in which a cylindrical part having the same is produced and a weak leakage magnetic field generated from the end of the cylindrical part is detected. However, in any case, if a Hall element is used as a magnetic field detecting element for detecting a leakage magnetic field from the end of the cylindrical portion, the sensitivity is insufficient.
Naturally, the accuracy and resolution are also insufficient. As a high-sensitivity magnetic field detection element, there is a flux gate type sensor in which a magnetic core is wound, but in this case, the cost is increased, and the sensor is not a thin film element such as taking out a lead wire. Therefore, the mounting of the sensor is troublesome.
【００１５】これに対し、本発明のように積層型センサ
素子を備え、インピーダンス検出型の磁界検出センサを
用いてシャフトの円筒部からの漏洩磁界を検出する磁界
検出センサを利用することで、構成が簡易で、装着性及
びコストの点で有利となり、その上高感度、高精度に磁
界検出を行うことが可能となる。[0015] On the other hand, by using a magnetic field detection sensor that includes a stacked sensor element as in the present invention and detects a leakage magnetic field from the cylindrical portion of the shaft using an impedance detection type magnetic field detection sensor. Is simple, which is advantageous in terms of ease of mounting and cost, and also enables high-sensitivity and high-accuracy magnetic field detection.
【００１６】次に、本発明の磁界検出センサとして用い
られている薄膜積層型センサ素子（磁気インピーダンス
素子）の動作原理について説明する。Next, the operation principle of the thin-film laminated sensor element (magnetic impedance element) used as the magnetic field detection sensor of the present invention will be described.
【００１７】積層型センサ素子に対し、その基板平面に
平行な被検出磁界（外部磁界）Ｈｅｘｔが印加される
と、センサ素子の軟磁性体層の磁化状態が変化し、素子
の幅方向の透磁率μが変化する。素子の中間層（導電
層）に交流電流をその長手方向に印加すると、この透磁
率μの変化に応じて、次式（１）の関係を満たすよう
に、素子両端に、数百％以上のインピーダンスＺの変化
が発生する。When a detected magnetic field (external magnetic field) Hext parallel to the plane of the substrate is applied to the stacked sensor element, the magnetization state of the soft magnetic layer of the sensor element changes, and the permeability in the width direction of the element is changed. The magnetic susceptibility μ changes. When an alternating current is applied to the intermediate layer (conductive layer) of the element in the longitudinal direction, several hundred percent or more of the voltage is applied to both ends of the element according to the change in the magnetic permeability μ so as to satisfy the following expression (1). A change in impedance Z occurs.
【００１８】[0018]
【数１】 ここで、Ｒは抵抗成分、Ｌはインダクタンス成分、ＲDC
は直流抵抗値、ωは角周波数、ｔは膜厚、ρは比抵抗、
μは透磁率、ｋはセンサ形状により決まる係数である。(Equation 1) Here, R is a resistance component, L is an inductance component, and R DC
Is the DC resistance value, ω is the angular frequency, t is the film thickness, ρ is the specific resistance,
μ is a magnetic permeability, and k is a coefficient determined by the shape of the sensor.
【００１９】このように、透磁率μの変化に応じたイン
ピターダンスＺは、被検出磁界Ｈｅｘｔと対応している
ので、インピーダンス検出回路を利用してインピーダン
スＺの変化量を読みとれば、これにより被検出磁界Ｈｅ
ｘｔの大きさ、ひいては被測定体であるシャフトに加え
られた捩りトルクがわかる。As described above, since the impedance Z corresponding to the change in the magnetic permeability μ corresponds to the magnetic field Hext to be detected, if the amount of change in the impedance Z is read using an impedance detection circuit, Detected magnetic field He
The magnitude of xt, and thus the torsional torque applied to the shaft as the object to be measured, can be known.
【００２０】このような外部磁界に対して素子インピー
ダンスが変化する素子（磁気インピーダンス素子）は、
磁気抵抗効果を用いたＭＲ素子、あるいはホール効果を
用いたホール素子などと比較して、高感度の点で優れて
いる。一方、高感度な磁界センサとしては、鉄芯にコイ
ル巻き線を施したフラクッスゲート型センサが知られて
いるが、その構成は複雑であり、かつ応答性の点で劣
り、やはり本発明の磁界検出センサの方が全体として実
用性が高い。An element (magnetic impedance element) whose element impedance changes with respect to such an external magnetic field is
Compared to an MR element using the magnetoresistive effect, a Hall element using the Hall effect, and the like, it is excellent in high sensitivity. On the other hand, as a high-sensitivity magnetic field sensor, a flux gate type sensor in which a coil is wound around an iron core is known, but the configuration is complicated and the response is inferior. The magnetic field detection sensor is more practical as a whole.
【００２１】以上述べたような理由から、本発明の磁界
検出センサは感度、装着性、コスト、応答性などのトー
タル評価で磁界検出素子として有望である。For the reasons described above, the magnetic field detection sensor of the present invention is promising as a magnetic field detection element in total evaluation of sensitivity, mounting property, cost, responsiveness, and the like.
【００２２】本発明の他の特徴は、上述のように、積層
型センサ素子の形成される基板として、可撓性基板（フ
レキシブル基板）を用いていることである。通常、多く
の薄膜素子はガラス基板上に作製されるが、ガラス基板
素子は、ガラス基板が殆ど曲げることができないので、
曲率のある所に装着する場合には問題となる。例えば、
シャフトからの漏洩磁界を検出する場合には、シャフト
に磁歪リングを圧入ではめ込んだり、シャフト自体に加
工を施して円筒部を作成する場合のいずれにおいても、
磁歪リング等の円筒部の曲率に合わせて素子を装着する
ことができない。しかし、可撓性基板を用いれば、円筒
部の曲率に合わせて基板を曲げ、積層型センサ素子を円
筒部の端部に沿って配置することができ、円筒部の端部
から漏洩する磁界を効率的に検出することができる。し
たがって、より高感度、高分解能のセンサを実現するこ
とができる。Another feature of the present invention is that, as described above, a flexible substrate (flexible substrate) is used as the substrate on which the stacked sensor element is formed. Usually, many thin film elements are manufactured on a glass substrate, but since glass substrate elements can hardly bend,
A problem arises when mounting in a place with a curvature. For example,
When detecting the leakage magnetic field from the shaft, either by press-fitting a magnetostrictive ring to the shaft or by processing the shaft itself to create a cylindrical part,
The element cannot be mounted according to the curvature of the cylindrical portion such as a magnetostrictive ring. However, if a flexible substrate is used, the substrate can be bent in accordance with the curvature of the cylindrical portion, and the stacked sensor element can be arranged along the end of the cylindrical portion, and the magnetic field leaking from the end of the cylindrical portion can be reduced. It can be detected efficiently. Therefore, a sensor with higher sensitivity and higher resolution can be realized.
【００２３】また、本発明においては、可撓性基板上に
線状の積層型センサ素子をシャフト円周方向において複
数個並列して形成し、可撓性基板をシャフトの円筒部の
端部に沿うように曲げて円周上に配置することが好適で
ある。これは、積層型センサ素子の数が少ないと、磁歪
リング等の円筒部に磁気特性の空間分布があった場合
に、シャフトを一回転させた際にセンサ出力に変動が生
じ、検出精度が低下するためである。コスト面で有利で
ある鋼材ベースの磁歪リングを用いた場合には、磁歪リ
ング端部の円周方向の磁気特性は不均一であることが考
えられ、単一のセンサを円周上に配置しただけではシャ
フトを一回転させた時に大きな出力変動が生じることと
なる。従って、基板として、例えば可撓性基板を用い、
この可撓性基板上に線状の積層型センサ素子を複数並列
して形成し、可撓性基板を曲げて円筒部の端部全周にお
いて積層型センサ素子が配置されるようにすれば、各セ
ンサ素子からの出力が平均化される。これにより、円筒
部の円周方向における出力変動が平均化され、シャフト
を一回転させたときの出力変動を低減することができ
る。Further, in the present invention, a plurality of linear stacked sensor elements are formed in parallel on a flexible substrate in the circumferential direction of the shaft, and the flexible substrate is attached to the end of the cylindrical portion of the shaft. It is preferred to bend along and arrange on the circumference. This is because if the number of stacked sensor elements is small, if there is a spatial distribution of magnetic characteristics in a cylindrical part such as a magnetostrictive ring, the sensor output will fluctuate when the shaft is rotated once, and the detection accuracy will decrease. To do that. When using a steel-based magnetostrictive ring that is advantageous in terms of cost, it is considered that the magnetic properties in the circumferential direction of the end of the magnetostrictive ring are not uniform, and a single sensor is arranged on the circumference. If only the shaft is rotated once, a large output fluctuation will occur. Therefore, for example, a flexible substrate is used as the substrate,
If a plurality of linear stacked sensor elements are formed in parallel on this flexible substrate, and the flexible substrate is bent so that the stacked sensor elements are arranged all around the end of the cylindrical portion, The output from each sensor element is averaged. Thereby, the output fluctuation in the circumferential direction of the cylindrical portion is averaged, and the output fluctuation when the shaft is rotated once can be reduced.
【００２４】この積層型センサ素子は、例えば、可撓性
基板上において複数回折れ曲がるつづら折り形状にパタ
ーニングし、磁界検出機能を備える例えばつづら折りの
長辺（磁性体層）の延びる方向が、それぞれシャフトの
回転軸方向と一致するようにシャフトの周面上において
円筒部端部と対向させて配置すれば、シャフトの全周に
積層型センサ素子を配置することが容易である。This laminated sensor element is patterned, for example, into a plurality of folded and bent zigzag shapes on a flexible substrate, and the extending direction of, for example, the long side of the zigzag pattern (magnetic layer) having a magnetic field detection function is set to the direction of the shaft. By arranging the peripheral surface of the shaft so as to coincide with the rotation axis direction so as to face the end of the cylindrical portion, it is easy to arrange the stacked sensor element all around the shaft.
【００２５】次に、本発明においては、上述の磁界検出
センサにおいて、更に、可撓性基板と、薄膜磁気インピ
ーダンス素子（即ち磁性体層及び中間層の導電層）との
間にバッファ層を設けることが好適である。Next, in the present invention, in the above-described magnetic field detection sensor, a buffer layer is further provided between the flexible substrate and the thin-film magneto-impedance element (ie, the magnetic layer and the conductive layer of the intermediate layer). Is preferred.
【００２６】可撓性基板としては、代表的なものにポリ
イミドフィルムがある。ポリイミドは熱安定性が非常に
高いのでセンサを構成する材料として有用である。A typical example of the flexible substrate is a polyimide film. Polyimide is very useful as a material constituting a sensor because of its extremely high thermal stability.
【００２７】一方、薄膜で顕著な磁気インピーダンス効
果を有する素子（磁気インピーダンス素子）を実現する
ためには磁性体膜に発生する応力を最小限に抑えること
が重要となる。実際に磁性体膜に発生する応力を小さく
するために成膜条件の最適化を図った場合、素子の磁界
に対するインピーダンス変化は非常に大きくなることが
確認されている。一方、成膜条件の最適化を図ることな
く作製した素子の磁界に対するインピーダンス変化は小
さいことも確認された。On the other hand, in order to realize an element (magnetic impedance element) having a remarkable magneto-impedance effect in a thin film, it is important to minimize the stress generated in the magnetic film. It has been confirmed that when the film formation conditions are optimized to reduce the stress actually generated in the magnetic film, the impedance change with respect to the magnetic field of the element becomes very large. On the other hand, it was also confirmed that a change in impedance with respect to a magnetic field of a device manufactured without optimizing film forming conditions was small.
【００２８】インピーダンス素子の磁性体膜に発生する
応力は、成膜条件の他に素子を構成する下部磁性体膜の
基板の依存性が大きい。特に基板と磁性体膜との熱膨脹
係数の違いは磁性体膜の応力発生に大きな影響を与え
る。例えば、基板としてポリイミドフィルタを用いた場
合、ポリイミドフィルムの熱膨脹係数が２０×１０-6、
磁性体膜の熱膨脹係数が５×１０-6であり、熱膨脹係数
の大きな違いがあるので温度の増減により容易に応力が
発生してしまう。The stress generated in the magnetic film of the impedance element largely depends on the substrate of the lower magnetic film constituting the element in addition to the film forming conditions. In particular, the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the magnetic film has a significant effect on the stress generation of the magnetic film. For example, when a polyimide filter is used as the substrate, the coefficient of thermal expansion of the polyimide film is 20 × 10 −6 ,
The magnetic film has a coefficient of thermal expansion of 5 × 10 −6 , and there is a large difference in the coefficient of thermal expansion.
【００２９】ガラス基板上に作製した素子の特性と、ポ
リイミドフィルム基板上に作製した素子の特性を比較し
た所、前者はヒステリシスもなく大きなインピーダンス
変化率が得られたのに対して、後者はヒステリシスが大
きくインピーダンス変化率が小さかった。これは、磁性
体膜の熱膨脹係数５×１０-6とガラス基板（ＳｉＯ2）
の熱膨脹係数１０×１０-6との差に比べて、磁性体膜の
熱膨脹係数とポリイミドフィルムの熱膨脹係数との差が
大きいことに起因している。つまり、熱応力の発生しや
すいポリイミドフィルム基板素子のほうが特性が低下す
ることになる。When the characteristics of a device fabricated on a glass substrate and the characteristics of a device fabricated on a polyimide film substrate were compared, the former showed a large impedance change rate without hysteresis, while the latter exhibited hysteresis. Was large and the impedance change rate was small. This is because the thermal expansion coefficient of the magnetic film is 5 × 10 -6 and the glass substrate (SiO 2 )
As compared to the difference between the thermal expansion coefficient of 10 × 10 -6, and due to a large difference between the thermal expansion coefficient and thermal expansion coefficient of the polyimide film of the magnetic film. That is, the characteristics of the polyimide film substrate element in which thermal stress is easily generated are degraded.
【００３０】そこで、上述のように、磁気インピーダン
ス素子とポリイミドフィルム基板との間に絶縁性を有す
るバッファ層を挿入すれば、熱膨脹差により発生する熱
応力をこのバッファ層で吸収させて低減することがで
き、磁気インピーダンス素子の特性向上を図ることが可
能となる。Therefore, as described above, if an insulating buffer layer is inserted between the magneto-impedance element and the polyimide film substrate, it is possible to reduce the thermal stress generated by the difference in thermal expansion by absorbing the thermal stress in the buffer layer. Thus, it is possible to improve the characteristics of the magnetic impedance element.
【００３１】ここで、バッファ層としては磁性体膜のも
のと近い熱膨脹係数を有する材料を選ぶことが必要であ
る。こうした条件を満たすバッファ層を用いれば、磁性
体膜とバッファ層との熱膨脹係数差はなくなり素子磁性
体膜に熱応力がほとんど発生せず、可撓性基板上に形成
した積層型センサ素子特性が大幅に向上する。例えば、
バッファ層の材料としては、ＳｉＯ2 、ＳｉＡｌＮを用
いることができる。Here, it is necessary to select a material having a thermal expansion coefficient close to that of the magnetic film as the buffer layer. When a buffer layer that satisfies these conditions is used, there is no difference in thermal expansion coefficient between the magnetic film and the buffer layer, almost no thermal stress is generated in the element magnetic film, and the characteristics of the laminated sensor element formed on a flexible substrate are improved. Significantly improved. For example,
As the material of the buffer layer, SiO 2 and SiAlN can be used.
【００３２】また本発明において、上述の磁界検出セン
サを磁歪リング等の円筒部の片側の端部だけでなく両端
部に各々１個ずつ配置してもよい。この様に円筒部の両
端部に磁界検出センサを配置すれば、センサからの出力
を差動検出することができ、感度を２倍にし、かつ外乱
磁界の影響を低減することが可能となる。In the present invention, one of the above-described magnetic field detection sensors may be provided not only at one end but also at both ends of a cylindrical portion such as a magnetostrictive ring. By disposing the magnetic field detection sensors at both ends of the cylindrical portion in this manner, the output from the sensor can be differentially detected, the sensitivity can be doubled, and the influence of the disturbance magnetic field can be reduced.
【００３３】ここで、円筒部として磁歪リングを用いた
場合に、磁歪リングの一方の端部に正の磁化が発生した
場合、もう一方の端部には負の磁化が発生することにな
る。磁界バイアスにより動作点が最適化された磁界検出
センサは、印加される磁界の正負によって出力の符号が
変わり、正負磁界の判別が可能であるので、磁歪リング
の両端部に配置されたセンサからの出力は互いに符号が
反対となる。従って、各センサからの出力を差動検出す
ることで、オフセット出力（印加磁界ゼロ時の出力）分
はキャンセルされ、トルク検出信号は２倍になる。ま
た、一様な外乱磁界が加わった場合にも、各磁界検出セ
ンサには同じ方向で同じ大きさの磁界が加わるため、２
つのセンサからは外乱磁界に対応して共に同じ大きさの
信号が出力され、２つのセンサの差動検出により外乱磁
界による信号はキャンセルされ、ほとんど影響を受けな
い。よって、高精度の検出が可能となる。Here, when the magnetostrictive ring is used as the cylindrical portion, when positive magnetization occurs at one end of the magnetostrictive ring, negative magnetization occurs at the other end. The sign of the output of the magnetic field detection sensor whose operating point is optimized by the magnetic field bias changes depending on the sign of the applied magnetic field, and the discrimination between the positive and negative magnetic fields is possible. The outputs have opposite signs. Therefore, by differentially detecting the output from each sensor, the offset output (output when the applied magnetic field is zero) is canceled and the torque detection signal is doubled. Further, even when a uniform disturbance magnetic field is applied, a magnetic field of the same magnitude is applied to each magnetic field detection sensor in the same direction.
Signals of the same magnitude are output from the two sensors in response to the disturbance magnetic field, and the signal due to the disturbance magnetic field is canceled by the differential detection of the two sensors, and is hardly affected. Therefore, highly accurate detection is possible.
【００３４】[0034]
【発明の実施の形態】［実施形態１］図１は、トルクセ
ンサとして用いた場合の実施形態１にかかる磁界検出セ
ンサの構成例、図２は、その一部拡大図である。本実施
形態１において、トルク検出を行う対象である被測定体
は、シャフト（トルク伝達軸）１１２であり、このシャ
フト１１２の周面において、その円周方向に磁化モーメ
ントを有する磁歪リング部１１３が取り付けられてい
る。そして、この磁歪リング１１３の端部に沿うように
シャフト１１２の周面上に、本実施形態１にかかる磁界
検出センサ１１１が該シャフト１１２と非接触で配置さ
れている。磁界検出センサ１１１は、後述するように可
撓性の基板２１４上に形成されており、磁歪リング１１
３の端部の曲率に合うようにこの基板２１４を曲げるこ
とで、シャフト１１２の全周において、磁歪リング１１
３の端部に本発明の磁界検出センサ１１１の端部が対向
するように配置されている。FIG. 1 is a configuration example of a magnetic field detection sensor according to a first embodiment when used as a torque sensor, and FIG. 2 is a partially enlarged view thereof. In the first embodiment, the measured object to be subjected to the torque detection is a shaft (torque transmitting shaft) 112, and a magnetostrictive ring portion 113 having a magnetizing moment in a circumferential direction on a peripheral surface of the shaft 112. Installed. The magnetic field detection sensor 111 according to the first embodiment is arranged on the peripheral surface of the shaft 112 in a non-contact manner along the end of the magnetostrictive ring 113. The magnetic field detection sensor 111 is formed on a flexible substrate 214 as will be described later.
3 is bent so as to match the curvature of the end of the magnetostrictive ring 11 around the entire circumference of the shaft 112.
The end of the magnetic field detection sensor 111 of the present invention is disposed so as to face the end of the third magnetic field detection sensor 3.
【００３５】本実施形態１の磁界検出センサ１１１は、
ポリイミドフィルムなどの可撓性基板２１４上に、バッ
ファ層２１３、中間層として導電層２１２、該導電層２
１２の表面の少なくとも一部（例えば、導電層の周囲）
を覆う外層として磁性体層２１１を備え、導電層２１２
及び磁性体層２１１の長手方向がシャフト回転軸方向に
向けられる積層型センサ素子（磁気インピーダンス素
子）によって構成されている。導電層２１２を覆う磁性
体層２１１は、ＦｅＣｏＳｉＢ、ＣｏＳｉＢ等のアモル
ファス軟磁性体、或いはＮｉＦｅ、ＣｏＮｂＺｒ等、保
磁力が１Ｏｅ（７９Ａ／ｍ）以下の軟磁性材料を用いて
形成されており、一方、導電層２１２はＣｕ、Ａｌ、Ａ
ｇ、Ａｕ等、磁性体層２１１に比べて導電率が１桁以上
高い導電材料、或いはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、あるいはそれ
らの合金等によって形成されている。また、基板２１４
と導電層２１２との間に設けられたバッファ層２１３
は、例えばＳｉＯ２、ＳｉＡｌＮ、シリコンナイトライ
ドＳｉ3Ｎ4、アルミナ等によって形成されている。この
バッファ層２１３は、センサ１１１を構成する磁性体層
２１１との熱膨脹係数を合わせ、成膜時にセンサ１１１
に発生する応力を低減するために設けられている。各層
は、真空蒸着法、スパッタリング法等の薄膜作製技術に
より作製される。また、磁性体層２１１は、センサ素子
の幅方向、つまり線状に延びる磁性体層２１１の長手方
向に直交する方向に直流磁場を印加した状態で作製され
るため、線状のセンサ素子の幅方向が磁性体層２１１の
磁化容易軸方向となっている。The magnetic field detection sensor 111 of the first embodiment is
On a flexible substrate 214 such as a polyimide film, a buffer layer 213, a conductive layer 212 as an intermediate layer, and a conductive layer 2
At least a portion of the surface of 12 (eg, around the conductive layer)
A magnetic layer 211 as an outer layer covering the conductive layer 212;
And a stacked sensor element (magnetic impedance element) in which the longitudinal direction of the magnetic layer 211 is oriented in the direction of the shaft rotation axis. The magnetic layer 211 covering the conductive layer 212 is formed using an amorphous soft magnetic material such as FeCoSiB or CoSiB, or a soft magnetic material having a coercive force of 1 Oe (79 A / m) or less such as NiFe or CoNbZr. , The conductive layer 212 is made of Cu, Al, A
It is formed of a conductive material such as g, Au or the like having a conductivity one order or more higher than that of the magnetic layer 211, or Fe, Co, Ni, or an alloy thereof. Also, the substrate 214
Layer 213 provided between the semiconductor device and the conductive layer 212
Is, for example SiO2, SiAlN, silicon nitride Si 3 N 4, are made of alumina or the like. This buffer layer 213 matches the coefficient of thermal expansion of the magnetic layer 211 constituting the sensor 111,
Is provided to reduce the stress generated in the Each layer is manufactured by a thin film manufacturing technique such as a vacuum evaporation method and a sputtering method. The magnetic layer 211 is manufactured in a state in which a DC magnetic field is applied in the width direction of the sensor element, that is, in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the magnetic layer 211 extending linearly. The direction is the easy axis direction of the magnetic layer 211.
【００３６】本実施形態１において、積層型センサ素子
は基板２１４上に形成されているが、センサ素子は、例
えば、つづら折り（meander）状にパターニングされ、
シャフト１１２の全周において該センサ素子が配置され
るよう構成されている。具体的には、図２に示すよう
に、基板２１４の上に、導電層２１２をつづら折り状に
パターニングする。導電層２１２の両端（図２では一方
の引き出し端のみ示す）には配線取り出し用のボンディ
ングパッドを形成し、ボンディングパット上に駆動用の
高周波電流源１０１と信号処理回路（インピーダンス検
出器）１０２が並列に接続される。In the first embodiment, the stacked sensor element is formed on the substrate 214. However, the sensor element is patterned, for example, in a meander shape.
The sensor element is arranged around the entire circumference of the shaft 112. Specifically, as shown in FIG. 2, the conductive layer 212 is patterned in a zigzag pattern on the substrate 214. At both ends of the conductive layer 212 (only one drawing end is shown in FIG. 2), bonding pads for taking out wiring are formed, and a high-frequency current source 101 for driving and a signal processing circuit (impedance detector) 102 are formed on the bonding pads. Connected in parallel.
【００３７】このつづら折り形状の導電層２１２は、セ
ンサ素子の側方で複数回折れ曲がり、かつ磁性体層２１
１で覆われる直線部分がシャフト１１２の回転軸に平行
な方向に伸びるようにパターニングされている。このた
め、積層型センサ素子の磁界検知部をなす導電層２１２
及び磁性体層２１１の線状積層体領域が、回転軸方向に
沿って複数本形成されることとなる。よって、これらが
形成された基板２１４をシャフト１１２の周面上に曲げ
て配置することで、シャフト１１２の全周に磁歪リング
１１３の端部から漏洩する磁界を検出する積層体領域が
配置される。従って、本実施形態１では、磁歪リング１
１３端部の一周内で磁気特性の分布に起因して発生する
シャフト１１２の回転に伴う出力変動が低減される。The zigzag-shaped conductive layer 212 is bent a plurality of times on the sides of the sensor element, and
1 is patterned so as to extend in a direction parallel to the rotation axis of the shaft 112. For this reason, the conductive layer 212 forming the magnetic field detecting portion of the stacked sensor element
In addition, a plurality of linear laminate regions of the magnetic layer 211 are formed along the rotation axis direction. Therefore, by laminating the substrate 214 on which these are formed on the peripheral surface of the shaft 112, a laminated body region for detecting a magnetic field leaking from the end of the magnetostrictive ring 113 is disposed all around the shaft 112. . Therefore, in the first embodiment, the magnetostrictive ring 1
The output fluctuation due to the rotation of the shaft 112, which is caused by the distribution of the magnetic characteristics within one circumference of the 13 end portion, is reduced.
【００３８】次に、本実施形態１においてトルク検出対
象となるシャフト１１２は、通常の場合、チタン、ステ
ンレスなどの非磁性材料を用いることができるが、磁気
特性が通常のＦｅベースの鋼材と比較して劣る浸炭焼き
入れ処理された鋼材を用いてもよい。一方、磁歪リング
１１３の材質は、磁化特性が通常のＦｅベースの鋼材よ
りも優れた磁性材料（例えば、パーメンジュール）、あ
るいはマルエージング鋼を用いることが好適である。Next, in the first embodiment, a nonmagnetic material such as titanium or stainless steel can be used for the shaft 112 to be subjected to the torque detection in the usual case. It is also possible to use a steel material which is inferiorly carburized and quenched. On the other hand, as the material of the magnetostrictive ring 113, it is preferable to use a magnetic material (for example, permendur) having better magnetization characteristics than a normal Fe-based steel, or a maraging steel.
【００３９】なお、磁歪リング１１３として、Ｆｅベー
スの鋼材の中でも磁気特性が比較的良好な、焼き入れ、
焼き戻し処理を施したクロムモリブデン鋼、あるいはニ
ッケルクロムモリブデン鋼を用いてもよい。さらには、
ショットピーニング処理を施した鋼材を用いてもよい。
これらのいずれかの材料からなる磁歪リング１１３はシ
ャフト１１２に圧入して取り付けられる。こうした方法
で磁歪リング１１３がはめられると、磁歪リング１１３
には円周方向に引っ張り応力が発生することになり、通
常は正磁歪を有するので円周方向に磁気異方性を有する
ことになる。こうした状態でシャフト１１２にパルス電
流通電すると、磁歪リング１１３は円周方向に着磁さ
れ、図１に示すように、円周方向に磁化モーメントが発
生する。このことは、ミクロ的な磁化状態、つまり、磁
区構造の立場から見ると、磁歪リング１１３を構成する
磁性体は円周方向に磁化モーメントが揃った単磁区に近
い状態になっていると考えられる。As the magnetostrictive ring 113, hardening,
A tempered chromium molybdenum steel or a nickel chromium molybdenum steel may be used. Moreover,
A steel material subjected to a shot peening treatment may be used.
The magnetostrictive ring 113 made of any of these materials is press-fitted into the shaft 112 and attached. When the magnetostrictive ring 113 is fitted in this manner, the magnetostrictive ring 113
Will have a tensile stress in the circumferential direction, and usually have positive magnetostriction, and therefore have magnetic anisotropy in the circumferential direction. When pulse current is applied to the shaft 112 in such a state, the magnetostrictive ring 113 is magnetized in the circumferential direction, and a magnetization moment is generated in the circumferential direction as shown in FIG. This suggests that, from the viewpoint of a microscopic magnetization state, that is, from the standpoint of the magnetic domain structure, the magnetic material constituting the magnetostrictive ring 113 is in a state close to a single magnetic domain having uniform magnetization moments in the circumferential direction. .
【００４０】このような状態で、シャフト１１２にトル
ク（捩りトルク）が印加されると、図３に示すように、
円周方向に揃っていた磁化モーメントは軸の長手方向に
対して４５°方向に一斉に回転するので、磁歪リング１
１３幅方向における磁化成分が大きく発生する。この磁
歪リング１１３の幅方向の端部には、本実施形態１の磁
界検出センサ１１１が配置されている。よって、この磁
歪リング１１３の幅方向の磁化成分の大きい漏洩磁界が
端部で発生することで検出分解能を著しく向上させるこ
とができる。When a torque (torsional torque) is applied to the shaft 112 in such a state, as shown in FIG.
Since the magnetized moments aligned in the circumferential direction rotate simultaneously in the direction of 45 ° with respect to the longitudinal direction of the shaft, the magnetostrictive ring 1
A large magnetization component occurs in the 13 width direction. The magnetic field detection sensor 111 of the first embodiment is disposed at an end of the magnetostrictive ring 113 in the width direction. Therefore, the detection resolution can be significantly improved by generating a leakage magnetic field having a large magnetization component in the width direction of the magnetostrictive ring 113 at the end.
【００４１】磁気特性の均一性は劣るがより安価なＦｅ
系ベースの鋼材を用いて磁歪リング１１３を作製した場
合、リング端部は円周方向で一周にわたる磁気特性はか
なり不均一であり、シャフト回転に伴って磁界は大きく
変動する。しかし、本実施形態１においては、磁歪リン
グ１１３の全周に磁界検出センサが配置され線状の積層
体が直列的に接続されている構成となっていることによ
り、パターンニング素子は磁歪リング端部の円周方向全
周の磁界を検出していることになる。したがって、磁歪
リングの磁気特性不均一による出力変動が平均化され、
軸回転に伴う出力変動が低減されることになる。Although the uniformity of the magnetic properties is inferior, the less expensive Fe
When the magnetostrictive ring 113 is manufactured using a system-based steel material, the magnetic properties of the end of the ring over the entire circumference in the circumferential direction are considerably uneven, and the magnetic field fluctuates greatly with the rotation of the shaft. However, in the first embodiment, since the magnetic field detection sensor is arranged around the entire circumference of the magnetostrictive ring 113 and the linear laminated body is connected in series, the patterning element is formed at the end of the magnetostrictive ring. This means that the magnetic field in the entire circumference of the portion is detected. Therefore, the output fluctuation due to the non-uniform magnetic properties of the magnetostrictive ring is averaged,
Output fluctuations due to shaft rotation are reduced.
【００４２】また、以上において、漏洩磁界を発生させ
るための円筒部としてシャフト１１２に磁歪リング１１
３を装着する方式を述べてきたが、低コスト、装着の簡
便性の向上の観点から、磁歪リングを用いるのではな
く、シャフト自体に加工を施して回転軸方向における両
端に段差を有する円筒状部位を作製しその端部から発生
する微弱な漏洩磁界を本実施形態１の磁界検出センサ１
１１で検出する方式を採用することも可能である。In the above, the magnetostrictive ring 11 is attached to the shaft 112 as a cylindrical portion for generating a leakage magnetic field.
Although the method of mounting 3 has been described, from the viewpoint of low cost and improvement of simplicity of mounting, instead of using a magnetostrictive ring, the shaft itself is processed and a cylindrical shape with steps at both ends in the rotation axis direction is used. The weak magnetic field generated from the end of the portion and the weak magnetic field generated from the end is used as the magnetic field detection sensor 1 of the first embodiment.
It is also possible to adopt a method of detecting at 11.
【００４３】円筒部として磁歪リング１１３を用いる、
又は、シャフト１１２自身に円筒部を形成するというい
ずれの方法を採用する場合においても、本実施形態１の
磁界検出センサは、磁気インピーダンス効果を利用して
おり、その検出感度が高いたい。従って、このような微
弱な漏洩磁界であってもこれを検出することができ、検
出感度の大幅な低下なく、トルク検出のための構成のコ
ストダウンを図ることができる。A magnetostrictive ring 113 is used as a cylindrical portion.
Alternatively, regardless of the method of forming the cylindrical portion on the shaft 112 itself, the magnetic field detection sensor of the first embodiment utilizes the magneto-impedance effect, and it is desired that the detection sensitivity is high. Therefore, even such a weak leakage magnetic field can be detected, and the cost of the configuration for torque detection can be reduced without a significant decrease in detection sensitivity.
【００４４】［実施形態２］図４は、実施形態２の磁界
検出センサ１１１の構成を示している。なお、以下の説
明において既に説明した図面と同様の構成には、同一符
号を付して説明を省略する。[Second Embodiment] FIG. 4 shows a configuration of a magnetic field detection sensor 111 according to a second embodiment. In the following description, the same components as those in the drawings already described are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【００４５】実施形態１と同様なトルクセンサとして用
いる場合、本実施形態２の磁界検出センサは、上述の図
１と同様にシャフト１１２にはめられた磁歪リング１１
３の端部に沿って該端部と一定のクリアランスでシャフ
ト１１２の円周上に配置される。本実施形態２では、シ
ャフト１１２としては、例えば非磁性材料であるステン
レス鋼を用い、磁歪リング１１３としては、通常使用さ
れるＦｅ系の鋼材と比較して優れた軟磁気特性を示すマ
ルエージング鋼を用いてる。但し、材料は上記実施形態
１と同様にこれらには限られない。When used as a torque sensor similar to that of the first embodiment, the magnetic field detection sensor of the second embodiment uses a magnetostrictive ring 11 mounted on a shaft 112 as in FIG.
3 along the end of the shaft 112 and with a certain clearance on the circumference of the shaft 112. In the second embodiment, for example, stainless steel, which is a nonmagnetic material, is used as the shaft 112, and a maraging steel, which exhibits excellent soft magnetic properties as compared with a commonly used Fe-based steel, is used as the magnetostrictive ring 113. I use However, the material is not limited to these as in the first embodiment.
【００４６】基板２１４としてポリイミドフィルム等の
可撓性基板を用いた本実施形態２のセンサ１１１は、基
板２１４上に図４に示すようにつづらおり状の積層型セ
ンサ素子がパターンニングされている。また、この素子
にはダミー抵抗１０３を介して高周波数（１ＭＨｚ）の
電流が通電されている。素子両端に発生する交流電圧が
信号処理回路１０２に入力される。信号処理回路１０２
では、交流電圧が直流電圧に整流され、最終的にトルク
検出信号として出力される。In the sensor 111 of the second embodiment using a flexible substrate such as a polyimide film as the substrate 214, a zigzag laminated sensor element is patterned on the substrate 214 as shown in FIG. . A high-frequency (1 MHz) current is supplied to this element via the dummy resistor 103. An AC voltage generated between both ends of the element is input to the signal processing circuit 102. Signal processing circuit 102
Then, the AC voltage is rectified into a DC voltage, and is finally output as a torque detection signal.
【００４７】センサ１１１の断面構造をＡ−Ａ線に沿っ
て示したのが図５である。図５に示すように基板２１４
上には上下磁性体層２１１ａ，２１１ｂが形成され、こ
の上下磁性体層の中間には導電層２１２が形成されてい
る。導電層２１２はＣｕ，Ａｌ等の導電体であり、膜厚
が３μｍである。上下磁性体層２１１ａ，２１１ｂは、
例えば、ＦｅＣｏＳｉＢ，ＣｏＳｉＢよりなり、膜厚は
２μｍである。また、その磁化容易軸は、図示するよう
な線幅方向に付与されている。また、可撓性基板２１４
上に形成された積層型センサ素子に発生する応力の緩和
のため、基板２１４と下磁性体層２１１ｂとの間には、
ガラス、ＳｉＯ2 、あるいはＳｉＡｌＮよりなり、膜厚
が数μｍのバッファ層２１３が形成されている。FIG. 5 shows the sectional structure of the sensor 111 along the line AA. As shown in FIG.
Upper and lower magnetic layers 211a and 211b are formed thereon, and a conductive layer 212 is formed between the upper and lower magnetic layers. The conductive layer 212 is a conductor such as Cu or Al and has a thickness of 3 μm. The upper and lower magnetic layers 211a and 211b are
For example, it is made of FeCoSiB or CoSiB, and has a thickness of 2 μm. The axis of easy magnetization is given in the line width direction as shown. In addition, the flexible substrate 214
Between the substrate 214 and the lower magnetic layer 211b, in order to alleviate the stress generated in the stacked sensor element formed thereon,
A buffer layer 213 made of glass, SiO 2 , or SiAlN and having a thickness of several μm is formed.
【００４８】本実施形態２の磁界検出センサ１１１につ
いては、基板２１４上にセンサ素子作製後、磁場中熱処
理を施した。熱処理温度２８０℃、印加磁界２ｋＯｅ、
熱処理時間３０ｍｉｎである。この磁場中熱処理によ
り、磁性体層２１１ａ，２２１ｂの磁気特性の熱ダメー
ジに対する安定化、素子出力の温度特性の向上を図って
いる。In the magnetic field detection sensor 111 according to the second embodiment, a heat treatment in a magnetic field was performed after the sensor element was formed on the substrate 214. Heat treatment temperature 280 ° C, applied magnetic field 2kOe,
The heat treatment time is 30 minutes. The heat treatment in the magnetic field stabilizes the magnetic characteristics of the magnetic layers 211a and 221b against thermal damage and improves the temperature characteristics of the element output.
【００４９】また、本実施形態２では、図６に示すよう
に、優れた磁気特性（高透磁率）を有するヨーク部１１
４を磁歪リング１１３の円周面及び端部、更に該磁歪リ
ング１１３に沿って配置した磁界検出センサの端部を覆
うように装着してもよい。このようなヨーク部１１４を
装着することにより、磁歪リング１１３の一方端部から
出た磁束が、ほとんど漏洩することなく磁気抵抗の小さ
いヨーク部１１４を貫いて磁界検出センサ１１１の配置
されたもう一方の端部に戻ってくる。したがって、磁歪
リング１１３とヨーク部１１４との間に装着されたセン
サ１１１に磁歪リング１１３の両端部から発生している
磁界を効率よく加えることができ、高感度化を図ること
ができる。In the second embodiment, as shown in FIG. 6, the yoke portion 11 having excellent magnetic properties (high magnetic permeability) is provided.
4 may be mounted so as to cover the circumferential surface and the end of the magnetostrictive ring 113, and the end of the magnetic field detection sensor arranged along the magnetostrictive ring 113. By mounting such a yoke portion 114, the magnetic flux emitted from one end of the magnetostrictive ring 113 passes through the yoke portion 114 having a small magnetoresistance with almost no leakage, and the other side where the magnetic field detection sensor 111 is disposed. Come back to the end. Therefore, a magnetic field generated from both ends of the magnetostrictive ring 113 can be efficiently applied to the sensor 111 mounted between the magnetostrictive ring 113 and the yoke portion 114, and high sensitivity can be achieved.
【００５０】図７（ａ）には、従来のセンサ（磁界検出
素子としてホールセンサを使用し磁歪リング円周方向の
一箇所で検出を行う方式）の出力特性、図７（ｂ）に
は、上記実施形態２にかかる磁界検出センサの出力特性
を示す。図７（ａ）と図７（ｂ）との比較から明らかな
ように、本実施形態２のセンサによれば、印加トルク
（Ｎｍ）に対するセンサ検出出力（Ｖ）は、従来のもの
と比較すると、印加トルクの上昇に伴いより大きな検出
出力が得られており、感度が向上していることが分る。FIG. 7A shows the output characteristics of a conventional sensor (a method in which a Hall sensor is used as a magnetic field detecting element and detection is performed at one location in the circumferential direction of the magnetostrictive ring), and FIG. 7 shows output characteristics of the magnetic field detection sensor according to the second embodiment. As is clear from the comparison between FIGS. 7A and 7B, according to the sensor of the second embodiment, the sensor detection output (V) with respect to the applied torque (Nm) is smaller than that of the conventional sensor. It can be seen that a larger detection output is obtained with an increase in the applied torque, and that the sensitivity is improved.
【００５１】また、図８（ａ）には同様の従来のセンサ
のシャフトを一回転させた場合の検出出力、図８（ｂ）
には本発明のセンサのシャフトを一回転させた場合の検
出出力を示す。図８から明らかなように、本実施形態２
にかかる磁界検出センサでは、従来のものと比較してシ
ャフトの回転に伴う出力変動が殆ど発生しておらず、精
度向上が図られていることが分かる。FIG. 8A shows a detection output when the shaft of the same conventional sensor is rotated once, and FIG.
Shows a detection output when the shaft of the sensor of the present invention is rotated once. As is apparent from FIG.
In the magnetic field detection sensor according to the above, it is understood that the output fluctuation accompanying the rotation of the shaft hardly occurs as compared with the conventional magnetic field detection sensor, and the accuracy is improved.
【００５２】［実施形態３」次に、本発明の実施形態３
にかかる磁界検出センサについて説明する。本実施形態
３において上述の実施形態２と相違する点は、主に、積
層型センサ素子の構造と、トルクセンサとして用いる場
合の配置方法であり、他の構成については上述の実施形
態１又は２と同一である。Embodiment 3 Next, Embodiment 3 of the present invention
Will be described. The third embodiment differs from the second embodiment mainly in the structure of the stacked sensor element and the arrangement method when used as a torque sensor, and the other configurations are the same as those in the first or second embodiment. Is the same as
【００５３】図９は、実施形態３の磁界検出センサ１２
１を用いたトルクセンサの構成を示しており、図１０は
磁界検出センサ１２１の平面構成を示している。また、
図１１は、図１０のＢ−Ｂ断面を示している。FIG. 9 shows a magnetic field detection sensor 12 according to the third embodiment.
1 shows a configuration of a torque sensor using the magnetic field detection sensor 1, and FIG. Also,
FIG. 11 shows a BB cross section of FIG.
【００５４】本実施形態３においては、シャフト１１２
にはめ込まれた磁歪リング１１３の回転軸方向の両端に
一定のクリアランスで図１０に示すような磁界検出セン
サ１２１をシャフト１１２の一周にわたって配置し、磁
歪リング１１３の両端部から発生する漏洩磁界を検出す
る。In the third embodiment, the shaft 112
A magnetic field detection sensor 121 as shown in FIG. 10 is disposed around the shaft 112 with a fixed clearance at both ends in the rotation axis direction of the magnetostrictive ring 113 fitted therein, and detects a leakage magnetic field generated from both ends of the magnetostrictive ring 113. I do.
【００５５】また、本実施形態３の磁界検出センサ１２
１は、図１０及び図１１に示すように、積層型センサ素
子がつづら折り形状に形成され、基板２１４上にバッフ
ァ層２１３である第一層が形成され、この第一層上に、
第二層として軟磁性体材料からなる下磁性体層２２１
ｂ、第三層として導電層２１２、第四層として軟磁性体
材料からなる上磁性体層２２１ａが形成されている。例
えば、バッファ層２１３はＳｉＯ2 層、上下磁性体層２
２１ａ，２２１ｂはＣｏＳｉＢ層、導電層２１２はＣｕ
層より各々形成されている。The magnetic field detection sensor 12 of the third embodiment
1, as shown in FIGS. 10 and 11, a stacked sensor element is formed in a zigzag shape, a first layer which is a buffer layer 213 is formed on a substrate 214, and on this first layer,
Lower magnetic layer 221 made of soft magnetic material as second layer
b, a conductive layer 212 is formed as a third layer, and an upper magnetic layer 221a made of a soft magnetic material is formed as a fourth layer. For example, the buffer layer 213 is an SiO 2 layer,
21a and 221b are CoSiB layers, and the conductive layer 212 is Cu
Each layer is formed.
【００５６】本実施形態３では、上記実施形態２と異な
り、導電層２１２の周囲（導電層２１２の上下面及び側
面）を上下磁性体層２２１ａ，２２１ｂが覆う断面構造
とはなっていない。図１１に示すように、導電層２１２
の上下を軟磁性体層２１１が挟む単なるサンドイッチ構
造であり、上下磁性体層２２１ａ，２２１ｂ及び導電層
２１２は共にほぼ同一パターンに形成されている。Unlike Embodiment 2, Embodiment 3 does not have a cross-sectional structure in which the upper and lower magnetic layers 221a and 221b cover the periphery of the conductive layer 212 (upper and lower surfaces and side surfaces of the conductive layer 212). As shown in FIG.
The upper and lower magnetic layers 221a and 221b and the conductive layer 212 are formed in substantially the same pattern.
【００５７】本実施形態３の積層型センサ素子の作製手
順は、以下の通りである。まず、基板２１４上に、第一
層２１３、第二層２２１ｂ、第三層２１２、第四層２２
１ａをこの順に順次成膜する。各層は、真空蒸着、ある
いはスパッタリングにより行う。そして、第四層２２１
ａまでの成膜が終わった段階で、レーザートリミング装
置を用いて、レーザー描画によるパターニングを行うこ
とで、第二層〜第四層を同時にパターニングする。この
作製方法はフォトリソグラフィ技術による比較と比較し
てより簡便な手法であり、量産化を考えた場合に有効で
ある。The procedure for manufacturing the multilayer sensor element of the third embodiment is as follows. First, the first layer 213, the second layer 221b, the third layer 212, and the fourth layer 22 are formed on the substrate 214.
1a is sequentially formed in this order. Each layer is formed by vacuum evaporation or sputtering. And the fourth layer 221
After the film formation up to a, the second to fourth layers are simultaneously patterned by performing patterning by laser drawing using a laser trimming device. This manufacturing method is a simpler method than the comparison by the photolithography technique, and is effective when mass production is considered.
【００５８】シャフト１１２の材質は低コストであるが
強磁性体であるＦｅベースの鋼材であり、磁歪リング１
１３の材質も通常使用されるＦｅ系の鋼材とした。な
お、シャフト１１２は鋼材の中でも比較的磁気特性の悪
い浸炭焼き入れ処理を施したクロム鋼とし、磁歪リング
１１３は鋼材の中でも比較的磁気特性の良い焼き入れ処
理を施したクロムモリブデン鋼、あるいはニッケルクロ
ムモリブデン鋼とした。The material of the shaft 112 is a low-cost but ferromagnetic Fe-based steel material.
The material No. 13 was also a commonly used Fe-based steel material. The shaft 112 is made of chromium steel that has been subjected to carburizing and quenching with relatively poor magnetic properties among steel materials, and the magnetostrictive ring 113 is made of chromium molybdenum steel or nickle steel that has been quenched with relatively good magnetic properties among steel materials. Chromium molybdenum steel.
【００５９】本実施形態３では磁歪リング１１３の両端
部に各々磁界検出センサ１２１が配置されており、各セ
ンサ１２１からの出力を差動検出することで、外乱磁界
の影響を少なくすることが可能となっている。磁歪リン
グ１１３において、一方の端部に正の磁化が発生した場
合、もう一方の端部には負の磁化が発生することにな
る。磁界バイアスにより動作点が最適化されたセンサ１
２１は、印加される磁界の正負によって出力の符号が変
わるので、磁歪リング１１３の両端部に配置された各セ
ンサ１２１からの出力は符号が反対となる。したがっ
て、各センサ１２１からの出力を差動検出すれば、オフ
セット出力（印加磁界ゼロ時の出力）分はキャンセルさ
れ、トルク検出信号は２倍になる。また、各素子１１１
に同じように加わる外乱磁界の影響はこの差動検出とす
ることによりほとんどない。In the third embodiment, the magnetic field detection sensors 121 are disposed at both ends of the magnetostrictive ring 113, and the effect of the disturbance magnetic field can be reduced by differentially detecting the output from each sensor 121. It has become. When positive magnetization is generated at one end of the magnetostrictive ring 113, negative magnetization is generated at the other end. Sensor 1 whose operating point is optimized by magnetic field bias
Since the sign of the output 21 changes depending on the sign of the applied magnetic field, the sign of the output from each of the sensors 121 disposed at both ends of the magnetostrictive ring 113 is opposite. Therefore, if the output from each sensor 121 is differentially detected, the offset output (output when the applied magnetic field is zero) is canceled and the torque detection signal is doubled. Each element 111
In this case, the influence of the disturbance magnetic field similarly applied to the above-mentioned method is hardly caused by the differential detection.
【００６０】更に、本実施形態３において、トルクセン
サとして用いる場合に、図１２に示すように、磁歪リン
グ１１３と、磁歪リング１１３の両端に配置された磁界
検出センサ１２１の周面及び各センサ１２１の外側の側
面を覆うヨーク部１１４を装着してもよい。ヨーク部１
１４は、上述の実施形態２において説明したように、優
れた磁気特性を備えており、このようなヨーク部１１４
を装着することにより、磁歪リング１１３の両端部から
出た磁束が、それぞれほとんど漏洩することなく磁気抵
抗の小さいヨーク部１１４を貫いて他方の端部に戻って
くる。したがって、磁歪リング１１３とヨーク部１１４
との間に装着されたセンサ１２１に磁歪リング１１３の
両端部から発生している磁界を効率よく加えることがで
き、高感度化を図ることができる。Further, in the third embodiment, when used as a torque sensor, as shown in FIG. 12, a magnetostrictive ring 113, a peripheral surface of a magnetic field detection sensor 121 disposed at both ends of the magnetostrictive ring 113, and each sensor 121 A yoke portion 114 that covers the outer side surface of the device may be mounted. Yoke part 1
14 has excellent magnetic properties as described in the second embodiment.
By mounting the magnetic flux, the magnetic fluxes emitted from both ends of the magnetostrictive ring 113 return to the other end through the yoke portion 114 having a small magnetoresistance with little leakage. Therefore, the magnetostrictive ring 113 and the yoke 114
The magnetic field generated from both ends of the magnetostrictive ring 113 can be efficiently applied to the sensor 121 mounted between them, and the sensitivity can be increased.
【図１】 本発明の磁界検出センサをトルクセンサとし
て用いる場合の概略構成を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing a schematic configuration when a magnetic field detection sensor of the present invention is used as a torque sensor.
【図２】 本発明の実施形態１にかかる磁界検出センサ
１１１の構成を説明する概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a configuration of a magnetic field detection sensor 111 according to the first embodiment of the present invention.
【図３】 シャフトに捩りトルクが印加された場合の磁
気モーメントの変化の様子を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing how a magnetic moment changes when a torsional torque is applied to a shaft.
【図４】 本発明の実施形態２にかかる磁界検出センサ
１１１の平面構成を説明する概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a planar configuration of a magnetic field detection sensor 111 according to a second embodiment of the present invention.
【図５】 図４のＡ−Ａ線に沿った断面構成を示す図で
ある。FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line AA of FIG. 4;
【図６】 実施形態２において更にヨーク部を備えた場
合の構成例を示す一部断面図である。FIG. 6 is a partial cross-sectional view illustrating a configuration example when a yoke portion is further provided in the second embodiment.
【図７】 実施形態２と従来のセンサの印加トルクに対
する検出出力の違いを示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a difference in detection output with respect to applied torque between a sensor according to a second embodiment and a conventional sensor.
【図８】 実施形態２と従来のセンサのシャフト回転角
度に対する検出出力の変動の違いを示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a difference in detection output variation with respect to a shaft rotation angle between a sensor according to a second embodiment and a conventional sensor.
【図９】 本発明の実施形態３にかかる磁界検出センサ
１２１をトルクセンサとして用いる場合の概略構成を示
す概念図である。FIG. 9 is a conceptual diagram showing a schematic configuration when a magnetic field detection sensor 121 according to a third embodiment of the present invention is used as a torque sensor.
【図１０】 実施形態３にかかる磁界検出センサ１２１
の平面構成を説明する概念図である。FIG. 10 is a magnetic field detection sensor 121 according to a third embodiment.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a planar configuration of FIG.
【図１１】 図１０のＢ−Ｂ線に沿った断面構成を示す
図である。11 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line BB of FIG. 10;
【図１２】 実施形態３において更にヨーク部を備えた
場合の構成例を示す一部断面図である。FIG. 12 is a partial cross-sectional view showing a configuration example when a yoke portion is further provided in the third embodiment.
１０１ 高周波電流源、１０２ 信号処理回路、１０３
ダミー抵抗、１１１，１２１ 磁界検出センサ、１１
２ シャフト（トルク伝達軸）、１１３ 磁歪リング、
１１４ ヨーク部、２１１ 磁性体層、２１１ａ，２２
１ａ 上磁性体層、２１１ｂ，２２１ｂ 下磁性体層、
２１２ 導電層、２１３ バッファ層、２１４ 可撓性
基板。101 high frequency current source, 102 signal processing circuit, 103
Dummy resistor, 111, 121 Magnetic field detection sensor, 11
2 shaft (torque transmission shaft), 113 magnetostrictive ring,
114 yoke part, 211 magnetic layer, 211a, 22
1a Upper magnetic layer, 211b, 221b Lower magnetic layer,
212 conductive layer, 213 buffer layer, 214 flexible substrate.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山寺 秀哉 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 太田 則一 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 野々村 裕 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 2F077 AA49 JJ15 MM03 TT06 2G017 AA01 AA08 AC06 AD02 AD42 AD43 BA03 BA05 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Hideya Yamadera 41, Yokomichi, Yokomichi, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture Inside Toyota Central Research Laboratory Co., Ltd. (72) Inventor Noriichi Ota Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture No. 41, Toyota Chuo R & D Co., Ltd., Toyota Chuo Research Institute, Inc. (72) Inventor: Hiroshi Nonomura 41, Nagakute-Cho, Aichi-gun, Aichi-gun, Aichi Prefecture, Japan F-term (reference) 2F077 AA49 JJ15 MM03 TT06 2G017 AA01 AA08 AC06 AD02 AD42 AD43 AD03 BA03 BA05
Claims (1)
筒部を有するシャフトの該円筒部の端部に発生する漏洩
磁界の変化を検出する磁界検出センサであり、 基板上に線状に形成された磁性体層と、その表面の少な
くとも一部が該磁性体層と接するように形成され両端が
高周波電流源に接続される導電層と、を備え、前記磁性
体層が、その長手方向と直交する方向に磁気異方性を有
する線状の積層型センサ素子を有し、 前記基板として可撓性基板を用い、該可撓性基板を前記
シャフトの周面に沿わせて曲げて前記積層型センサ素子
を前記円筒部の端部に沿って配置し、前記円筒部の端部
からの漏洩磁界の変化を検出することを特徴とする磁界
検出センサ。1. A magnetic field detection sensor for detecting a change in a leakage magnetic field generated at an end of a cylindrical portion having a cylindrical portion having magnetic anisotropy parallel to a circumferential direction. And a conductive layer formed so that at least a part of its surface is in contact with the magnetic layer and both ends of which are connected to a high-frequency current source, wherein the magnetic layer has a longitudinal axis. A linear laminated sensor element having magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the direction, using a flexible substrate as the substrate, and bending the flexible substrate along the peripheral surface of the shaft. A magnetic field detection sensor, wherein the stacked sensor element is arranged along an end of the cylindrical portion, and detects a change in a leakage magnetic field from the end of the cylindrical portion.
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