JP3096759B2 - 微小変位検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、紙やシートの厚みや、
紙やシートの上に印刷した印刷インクの厚みや、心臓の
鼓動に対する皮膚の振動などのような、ミクロンオーダ
ーの物体の微小変位を検出する微小変位検出器に関する
ものである。

【０００２】

【従来技術】物体の位置変化を測定する方法として、強
磁性磁気抵抗素子を用いる方法がある。ここで強磁性磁
気抵抗素子とは、該強磁性磁気抵抗素子材料の膜の平面
方向での磁界の変化に応じてその抵抗値を変化するもの
である。

【０００３】そしてこの強磁性磁気抵抗素子を用いて物
体の位置変化を測定するには、図７に示すように、表面
に強磁性磁気抵抗素子パターンを形成した磁気抵抗素子
４０１を基板４００上に取り付け、一方、被測定物４０
５に取り付けた磁石４０３を該磁気抵抗素子４０１の面
に対して磁力線がほぼ水平に入射するように設置する。

【０００４】そして被測定物４０５が基板４００に対し
て矢印ｂ方向に変位すれば、磁気抵抗素子４０１の強磁
性磁気抵抗素子パターン膜の平面方向での磁界の向きと
強さが変化し、これによって被測定物４０５の変位が検
出できる。この強磁性磁気抵抗素子を用いた微小変位検
出器は、単位磁場当りの感度（抵抗変化）が大きいとい
う利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、磁石４
０３を磁気抵抗素子４０１に対して真下以外の位置にず
らして設置しなければならないのでその位置決定が困難
になるばかりか、磁石４０３の位置が左右方向（図７に
示す矢印ｃ方向）や紙面手前奥方向に多少ずれるだけで
磁気抵抗素子４０１に対する磁界の強さと向きが大きく
変化してしまい、所期の出力が得られないという欠点が
あった。

【０００６】そこで本願出願人は、この欠点を解消すべ
く、先の出願（特願平６−２３２３６１号）において、
図８に示すような構造の微小変位検出器を提案した。

【０００７】即ちこの微小変位検出器は、胴体４１０の
下面に取り付けた可動膜（変位する物体）４１１と、該
胴体４１０の上部に取り付けられる基板４１９と、可動
膜４１１の上に取り付けられる磁石４１５と、該磁石４
１５の真上の基板４１９上に取り付けられる軟磁性体４
１９と、該軟磁性体４１９の左右両側に配置される磁気
抵抗素子４２１，４２１と、該両磁気抵抗素子４２１，
４２１のさらに左右両側に配置される軟磁性体４２３，
４２３と、前記磁気抵抗素子４２１，４２１の抵抗値の
変化を検出する検出回路（図示せず）とによって構成さ
れている。磁気抵抗素子４２１，４２１の抵抗値は、磁
石４１５が発する磁場の方向及び強さに応じて変化する

【０００８】この微小変位検出器によれば、磁石４１５
の磁力線は軟磁性体４１９に引き寄せられ、引き寄せら
れた磁力線の多くは軟磁性体４２３，４２３方向に強制
的に誘導され、これによってその間に位置する磁気抵抗
素子４２１，４２１に多数本の磁力線が集められ、これ
にほぼ平行に入射していく。

【０００９】従って磁石４１５が上下方向に微小変化し
ても、磁力線の数も大幅に変化し、その位置変位量をＳ
／Ｎ比が大きくて良好な信号として検出できる。

【００１０】しかしながらこの微小変位検出器は、これ
を静止して使用する場合は所期の性能が得られるが、こ
の検出器全体を移動体に取り付けて使用した場合はその
移動に伴う振動のため、出力信号自体の基準線が経時的
に不規則に動いてしまい、正確な出力波形が得られない
という問題点があった。

【００１１】具体的に説明すると本願発明者は、図８に
示す微小変位検出器の可動膜４１１を心臓近くの皮膚に
接触させ、被検査者が静止状態の場合と動作状態の場合
のそれぞれについてその出力波形を測定した。そして図
９（ａ）に静止状態の出力波形を、図９（ｂ）に動作状
態の出力波形を示す。

【００１２】同図に示すように、静止状態では出力信号
の基準線がほぼ一定であるためその波形は良好になる
が、動作状態では出力信号の基準線が不規則に動くため
正確な出力波形が得られない。

【００１３】本願発明者はなぜこのような現象が生じる
のかその原因を調べて解明した。即ち、磁石４１５は可
動膜４１１の振動によって上下動するが、同時に上下方
向以外の方向にも揺れ動く。磁石４１５の上下方向以外
の方向への揺れは磁石４１５から発射される磁力線全体
の揺れとなるため、両磁気抵抗素子４２１，４２１へ入
射する磁力線の数及び方向に即座に影響する。具体的に
言えば、磁石４１５が傾くことによって左右の磁気抵抗
素子４２１，４２１に入射する磁力線の数と方向が大き
く異なり、上下方向以外の方向への揺れによって生じる
磁力線の変化をも含んだ状態にて両磁気抵抗素子４２
１，４２１の出力は差動増幅されるので、該作動増幅後
の出力波形の基準線が大きく変化してしまうのである。

【００１４】それでも静止状態においては、該磁石４１
５の上下方向以外の方向への揺れは少なく、しかも磁力
線は軟磁性体４１９，４２３，４２３に誘導されるの
で、影響が出ず、図９（ａ）に示すようにほぼ本来の出
力波形が得られる。

【００１５】しかしながら動作状態においては、動作に
伴う不規則な揺れが磁石４１５に加えられるため、磁石
４１５の上下方向以外の方向への揺れの程度がひどくな
り、これによって磁石４１５から発射される磁力線全体
の揺れが大きく且つ不規則となり、左右の磁気抵抗素子
４２１，４２１に入射する磁力線の数と方向が大きく異
なり、上下方向以外の方向への揺れによって生じる磁力
線の変化をも含んだ状態にて出力されてしまい、図９
（ｂ）に示すような不規則な出力波形となってしまうの
である。

【００１６】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
ありその目的は、強磁性磁気抵抗素子の持つ特性、即ち
磁場当りの抵抗変化率が大きいという効果を活かして位
置変化量をＳ／Ｎ比が大きくて良好な信号として検出で
き、しかも移動などによって検出器そのものに振動が加
えられる場合でも出力信号の基準線がずれることなく検
出可能な信号が得られる微小変位検出器を提供すること
にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本発明は、上下方向及びその他の方向に変位する物体
の上下方向及びその他の方向に変位する部分に前記変位
する物体と共に変位するように導磁路となる軟磁性体を
取り付け、該軟磁性体の略中央から軟磁性体が変位する
前記上下方向及びその他の方向の内の上方向に向けて所
定距離離れた位置に磁気抵抗素子をその磁気抵抗形成面
が該上下方向と平行になるように配設し、一方該磁気抵
抗素子の近傍には磁石をその磁力線の一部が前記軟磁性
体を通って前記磁気抵抗素子の磁気抵抗形成面に略平行
に入射するように取り付け、さらに前記磁気抵抗素子と
磁石間を固定することによって、軟磁性体の上下方向へ
の変位位置に応じて磁気抵抗素子の抵抗値を変化せしめ
て微小変位検出器を構成した。

【００１８】

【作用】変位する物体の振動に応じて軟磁性体が上下動
し、これによって磁気抵抗素子の磁気抵抗形成面付近の
磁場の状態が変化し、振動状態が検出される。特に本発
明の場合は、変位する物体に軟磁性体を取り付け、磁石
と磁気抵抗素子間を固定したので、たとえこの微小変位
検出器全体を振動させても、磁石と磁気抵抗素子の位置
関係は変化しない。一方軟磁性体が変位する物体の変位
方向の振動ばかりでなく、それ以外の方向にも不規則に
揺れ動く場合であっても、変位方向以外の揺れによる磁
気抵抗素子付近の磁力線の変化は起こらず、変位方向の
変位のみで変化する磁力線が磁気抵抗素子にかかるた
め、検出可能な正確な出力波形が得られる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は本発明にかかる微小変位検出器を心
臓の鼓動検知に利用した例を示す概略側断面図である。
同図に示すようにこの微小変位検出器は、略円筒状の胴
体１１の下面に可動膜（変位する物体）１３を張り付
け、該可動膜１３の中央に導磁路となる軟磁性体１５
（ニッケル，コバルト，鉄などからなる）を取り付け、
一方胴体１１の内周面上方に設けた支持部１７上に基板
１９を取り付け、該基板１９の略中央に下方向に向けて
突出する舌片状の取付部２１を設け、該取付部２１上に
磁気抵抗素子２３を取り付け、該磁気抵抗素子２３の裏
面側の基板１９下面に磁石２５を取り付けて構成されて
いる。なお胴体１１，基板１９，可動膜１３は非磁性体
で構成されており、例えばそれぞれ合成樹脂、アルミ
板、ゴム板で構成されている。

【００２０】ここで磁石２５は円板状の永久磁石であ
り、その両極Ｓ，Ｎは上下両面の方向に向けて磁化され
ている。

【００２１】また磁気抵抗素子２３は、一方の面、即ち
取付部２１に取り付けられていない側の面に磁気抵抗素
子パターンが形成されている（磁気抵抗形成面２７）。

【００２２】即ち磁気抵抗素子２３は軟磁性体１５の略
中央からその真上方向、即ち軟磁性体１５の変位方向に
向けて所定距離離れた位置に、磁気抵抗素子２３の磁気
抵抗形成面２７が該変位方向と平行になるように配設さ
れており、一方磁石２５は、その磁力線の一部が前記軟
磁性体１５を通って前記磁気抵抗素子２３の磁気抵抗形
成面２７に略平行に入射するように取り付けられてい
る。

【００２３】図２は磁気抵抗素子２３の磁気抵抗形成面
２７側の平面図である。同図に示すようにこの磁気抵抗
素子２３は、ジグザグに形成された４つの磁気抵抗素子
パターン２９，３１，３３，３５のジグザグ方向が交互
に直交するように点対称にガラス基板３７上に形成され
ており、且つこれらの磁気抵抗素子パターン２９，３
１，３３，３５のそれぞれの接続部分からはそれぞれ４
本の端子３９，４１，４３，４５が引き出されている。

【００２４】以上、図１，図２に示すように構成すれ
ば、磁石２５の磁力線は軟磁性体１５に引き寄せられ、
引き寄せられた磁力線の多くはその真上の磁気抵抗素子
２３の磁気抵抗形成面２７に略平行に入射していく。

【００２５】つまり多数本の磁力線が磁気抵抗素子パタ
ーン２９，３１，３３，３５の面に対してほぼ平行に入
射することとなるので、磁気抵抗素子パターン２９，３
１，３３，３５の出力信号の感度が向上する。

【００２６】そしてこの微小変位検出器の可動膜１３を
振動する物体に密着すれば、可動膜１３の振動に応じて
軟磁性体１５が上下動し、これによって磁気抵抗素子パ
ターン２９，３１，３３，３５の出力信号が変化し、振
動状態が検出される。具体的に言えば、軟磁性体１５が
磁気抵抗素子パターン２９，３１，３３，３５に近づく
と該磁気抵抗素子パターン２９，３１，３３，３５周辺
の磁束密度は高くなり、離れると小さくなるのでその変
化が出力される。磁束密度の変化は距離の２乗に略反比
例する。

【００２７】特に本発明の場合は、従来例のように可動
膜１３に磁石２５を取り付ける代わりに軟磁性体１５を
取り付け、磁石２５と磁気抵抗素子２３を基板１９の下
面とその取付部２１に固定したので、たとえこの微小変
位検出器全体を振動させても、磁石２５と磁気抵抗素子
２３の位置関係は変化しない。

【００２８】また４つの磁気抵抗素子パターン２９，３
１，３３，３５を接近した位置に設けている。

【００２９】そしてこの微小変位検出器を動く人や物体
に取り付けた場合は、軟磁性体１５は上下方向の振動ば
かりでなく、それ以外の方向にも不規則に揺れ動くが、
このような場合であっても、軟磁性体１５の上下方向以
外の揺れによっては磁気抵抗素子２３付近の磁力線の変
化はほとんど起こらず、軟磁性体１５の上下方向の変位
のみによって磁気抵抗素子２３付近の磁力線は変化する
ので、検出可能な正確な出力波形が得られる。

【００３０】なおここで図２に示す１組の磁気抵抗素子
パターン２９，３１のジグザグ方向を直交してそれらの
中点から端子４１によって出力電圧をとったのは、磁気
抵抗素子２３の面に略平行に入射して来る磁力線の水平
面上での両磁気抵抗素子パターン２９，３１への入射角
度を相違させることによって、一方の磁気抵抗素子パタ
ーン２９の抵抗値ｒ１がＭＡＸのとき、他方の磁気抵抗
素子パターン３１の抵抗値ｒ２をＭＩＮにするためであ
り、これによって抵抗値ｒ１，ｒ２の変化を最大限に取
ることができ、出力電圧を最大に変化できるからであ
る。このことは他の組の磁気抵抗素子パターン３３，３
５においても同様である。

【００３１】次に図３は上記微小変位検出器の信号検出
回路を示す図である。この信号検出回路は基板１９上の
所定位置に設けられている。同図に示すように、端子３
９を電源電圧Ｖccに、端子４５をアースする。そして端
子４１，４３を引き出して、交流分を取り出すＲＣ回路
４９，５１に接続し、さらにこれらを差動増幅器５３に
接続している。なお５７と５９はバイアス回路である。

【００３２】そして例えば図１に示す軟磁性体１５が微
小距離だけ上又は下に変位して４つの磁気抵抗素子パタ
ーン２９，３１，３３，３５に入射する磁力線の数と方
向が微小量変化した場合、その分だけ磁気抵抗素子パタ
ーン２９，３１の抵抗値ｒ１，ｒ２と、磁気抵抗素子パ
ターン３３，３５の抵抗値ｒ３，ｒ４が変化し、ＲＣ回
路４９，５１でそれぞれその交流分が取り出され、次に
両者の交流分の差が差動増幅器５３によって増幅されて
出力されるのである。

【００３３】ところで図２に示すように、磁気抵抗素子
パターン２９，３１と磁気抵抗素子パターン３３，３５
とを点対称に形成したのは、２つの中点端子４１，４３
から出力される出力信号を逆にするためである。即ち、
端子４１，４３から出力される出力信号を逆にすること
によって、図３に示す検出回路の差動増幅が有効なもの
となるからである。出力信号を逆にしないと、端子４
１，４３の出力がほぼ同位相の信号波形となるため、出
力変化が取り出せない。

【００３４】図４（ａ）は図１に示す微小変位検出器を
人の心臓近くの胸の上に取り付けてその可動膜１３を皮
膚に密着し、且つ人が歩いている状態で、前記図３に示
す信号検出回路を用いて測定した出力波形を示す図であ
る。なお同図（ｂ）は心電図を用いて心臓の収縮によっ
て生じる電流を測定した結果を示す図である。

【００３５】図４（ａ），（ｂ）に示す波形を比較した
場合、その波形が極めてよく近似しており、正確な波形
が得られていることが分かる。しかも基準線が一定して
変動しない。言い替えればたとえ人が移動している状態
であっても、心臓の鼓動を再現性良く計測できることが
分かる。

【００３６】図５は本発明にかかる微小変位検出器を心
臓の鼓動検知に利用した他の例を示す概略側断面図であ
る。同図に示す微小変位検出器において前記図１に示す
微小変位検出器と相違する点は、磁石２５′をリング状
に形成し、該リングの中に磁気抵抗素子２３を配置する
ように構成した点である。

【００３７】このように構成すれば磁気抵抗素子２３
に、より平行でより安定した磁力線を供給できる。

【００３８】次に図６は本発明にかかる微小変位検出器
を紙厚検知に利用した例を示す概略側面図である。同図
に示すようにこの微小変位検出器は、略コ字状のフレー
ム６５内に支持台６７を固定し、その上端にアーム６９
を揺動自在に軸支し、該アーム６９の先端に検知ヘッド
７１を取り付けている。この検知ヘッド７１の下端には
ローラ７３が取り付けられ、またその上端には軟磁性体
１５が取り付けられている。

【００３９】またフレーム６５上端の軟磁性体１５の真
上の位置には磁気抵抗素子２３が、軟磁性体１５の変位
方向に向けてその磁気抵抗形成面２７が平行になるよう
に取り付けられており、一方フレーム６５上端近傍の下
面には磁石２５が、その磁力線の一部が前記軟磁性体１
５を通って前記磁気抵抗素子２３の磁気抵抗形成面２７
に略平行に入射するように取り付けられている。

【００４０】そして例えば１００μｍの紙７５がローラ
７３の下に挿入されると、検知ヘッド７１が押し上げら
れて軟磁性体１５が微小量変位し、磁気抵抗素子２３付
近の磁場が変化してその抵抗値の変化から紙厚が検出さ
れる。

【００４１】検知ヘッド７１に取り付けたローラ７３
は、紙７５に対して滑らかな動きをさせるためであり、
紙７５の挿入速度が遅い場合などではローラ７３を用い
ない接触針方式のヘッドを用いても良い。

【００４２】この微小変位検出器と同様な方法にて、紙
やシートの上に印刷したインクの厚み（１０μｍ程度）
の検出も可能となる。

【００４３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、以下のような優れた効果を有する。 たとえこの微小変位検出器を移動体に取り付けて使用
する場合であっても、検出可能で正確な出力信号が得ら
れる。

【００４４】この微小変位検出器は、磁気抵抗素子と
磁石間を直接又は他の部材を介在して固定し、且つ変位
する物体に取り付けられる軟磁性体を磁気抵抗素子から
変位する方向に向けて所定距離離れた位置に固定するだ
けで構成でき、従って各構成部品の配置関係が単純化で
き位置設定が容易となりしかも多少位置ずれしても十分
な出力が得られ、この微小変位検出器を用いた各種機器
の設計・製造が容易となる。

【００４５】強磁性磁気抵抗素子の持つ、磁場当りの
抵抗変化率が大きいという特性を用いているため、位置
変化量をＳ／Ｎ比が大きくて良好な信号として検出でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる微小変位検出器を心臓の鼓動検
知に利用した例を示す概略側断面図である。

【図２】磁気抵抗素子２３の磁気抵抗形成面２７側の平
面図である。

【図３】微小変位検出器の信号検出回路を示す図であ
る。

【図４】図４（ａ）は図１に示す微小変位検出器を用い
て人の心臓の鼓動を人が歩いている状態で測定した出力
波形を示す図であり、図４（ｂ）は心電図を用いて心臓
の収縮によって生じる電流を測定した結果を示す図であ
る。

【図５】本発明にかかる微小変位検出器を心臓の鼓動検
知に利用した他の例を示す概略側断面図である。

【図６】本発明にかかる微小変位検出器を紙厚検知に利
用した例を示す概略側面図である。

【図７】強磁性磁気抵抗素子４０１を用いた従来例を示
す図である。

【図８】本願出願人が先に提案した微小変位検出器を示
す概略側断面図である。

【図９】図８に示す微小変位検出器を用いて人の心臓の
鼓動を測定した結果を示す図であり、図９（ａ）は静止
状態の出力波形を示す図、図９（ｂ）は動作状態の出力
波形を示す図である。

【符号の説明】

１３ 可動膜（変位する物体） １５ 軟磁性体 ２３ 磁気抵抗素子 ２５ 磁石 ２７ 磁気抵抗形成面 ７１ 検知ヘッド（変位する物体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−304686（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上下方向及びその他の方向に変位する物
   体の上下方向及びその他の方向に変位する部分に前記変
   位する物体と共に変位するように導磁路となる軟磁性体
   を取り付け、該軟磁性体の略中央から軟磁性体が変位す
   る前記上下方向及びその他の方向の内の上方向に向けて
   所定距離離れた位置に磁気抵抗素子をその磁気抵抗形成
   面が該上下方向と平行になるように配設し、一方該磁気
   抵抗素子の近傍には磁石をその磁力線の一部が前記軟磁
   性体を通って前記磁気抵抗素子の磁気抵抗形成面に略平
   行に入射するように取り付け、さらに前記磁気抵抗素子
   と磁石間を固定することによって、軟磁性体の上下方向
   への変位位置に応じて磁気抵抗素子の抵抗値を変化せし
   めることを特徴とする微小変位検出器。