JP3196100B2 - 微小変位検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、心臓の鼓動に対す
る皮膚の振動や、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】

【従来の技術】従来、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、変位する物体
４０５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】そして変位する物体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、これによって変位する物体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】この従来例の場合、磁気抵抗素子４０１の
感度を最適なものにするために磁石４０３の設置位置を
磁気抵抗素子４０１の真下以外の位置に配置している
が、その位置決定は困難である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このため本願出願人
は、磁気抵抗素子と磁石の他に所定形状の軟磁性体を取
り付け、該軟磁性体によって磁石から発射される磁力線
を集めて誘導して効果的に磁気抵抗素子の面に対してほ
ぼ水平に入射せしめる方法を考えた（特願平６−２３２
３６１号，特願平６−３４００７６号）。

【０００７】ところで上記各微小変位検出器は、いずれ
も磁気抵抗素子の磁気抵抗形成面に対して磁石のＮＳ極
を結ぶ線が直交するように設置されたものであり、該磁
石又は磁気抵抗素子を該ＮＳ極を結ぶ線方向に変位させ
る構造のものであった。

【０００８】そして磁気抵抗素子と磁石（軟磁性体を用
いる場合は軟磁性体も）の相対的設置位置は、その検出
感度を良好にするために、最適な相互の設置位置が決ま
っており、その位置に設置する限りは、良好な検出感度
が得られる。

【０００９】しかしながら各部材間の最適な設置位置は
ある範囲を持っており、上記各微小変位検出器のように
磁石又は磁気抵抗素子を磁石のＮＳ極を結ぶ線方向に変
位させる構造の微小変位検出器の場合は、その範囲が狭
いという問題点があった。

【００１０】例えば、人の鼓動を検出するために変位す
る物体として弾性のある可動膜を用い、該可動膜に磁石
（場合によっては磁気抵抗素子や軟磁性体）を取り付
け、該可動膜を人の手首の皮膚に押し付けて脈拍を検出
するように用いた場合、人によって皮下脂肪に大きな相
違があるため、可動膜が皮膚によって押し上げられる量
が大きく変動し、このため人によっては該可動膜に取り
付けた磁石と他の部材間の離間距離が小さく（又は大き
く）なりすぎ、検出可能な最適な相互の設置位置からず
れてしまうような場合があった。具体的に言えば最適位
置からずれる量が最大でも０．４mm程度以上になれば、
その位置でたとえ微小変位を検出しようとしてもできな
くなっていた。

【００１１】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、磁石や磁気抵抗素子等の間の相対的位
置関係がずれたとしても、そのずれた位置で微小変位が
検出可能で安定した出力が得られる微小変位検出器を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】以上のように変位する物
体の変位をそのまま磁力線の変化量として検出すると各
部材間に相対的位置ずれが生じた場合に検出可能な出力
が得られないので、本願発明者はその代りに、該変位す
る物体の変位を一旦磁力線の回転運動に変換し、該回転
運動の変位を検出することとした。即ち本発明にかかる
微小変位検出器は、胴体と、胴体に取り付けられる取付
部材と、取付部材に回動自在に取り付けられる一方の棒
と前記一方の棒の回転運動を揺動運動に変換する他方の
棒とからなる棒部材と、前記一方の棒と取付部材の対向
する位置に取り付けられる磁石及び磁気抵抗素子と、胴
体に上下動自在に取り付けられて前記棒部材の他方の棒
に連結される検知ヘッドとを具備し、前記検知ヘッドの
変位する物体の振動に伴う上下方向への変位が、棒部材
の他方の棒の揺動運動から一方の棒の回転運動に変換さ
れて磁気抵抗素子の磁気抵抗形成面に略平行に入射する
磁石の磁力線の方向が該磁気抵抗形成面内において相対
的に回転して変化することを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて詳細に説明する。図１は本発明にかかる微小変
位検出器の基本的動作原理を示す概略図であり、同図
（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は平面図、同図（ｃ）は側
断面図である。同図に示すようにこの微小変位検出器
は、平板状の磁気抵抗素子１０と、該磁気抵抗素子１０
の上に設置される磁石３０と、該磁石３０を回転する回
転部材４０とを具備している。

【００１４】ここで磁気抵抗素子１０は、その上面に磁
気抵抗素子パターン２９，３１，３３，３５を形成して
構成されている。図２は磁気抵抗素子１０の磁気抵抗素
子パターン２９，３１，３３，３５を形成した面を示す
概略平面図である。同図に示すようにジグザグに形成さ
れた４つの磁気抵抗素子パターン２９，３１，３３，３
５は、それぞれ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２９，３１，３３，３５のそ
れぞれの接続部分からはそれぞれ４本の端子３９，４
１，４３，４５が引き出されている。

【００１５】図１に戻って、磁石３０は棒状であってそ
の両端にＮ，Ｓ極を有する永久磁石である。

【００１６】回転部材４０は前記磁気抵抗素子１０の上
でその回転軸が該磁気抵抗素子１０の面に垂直になるよ
うに設置されている。また回転部材４０の下端部には前
記磁石３０がその両端が回転部材４０の外周側面から突
出するように固定されており、且つ該磁石３０はその両
極Ｎ，Ｓを結ぶ線が前記磁気抵抗素子１０の表面に平行
になるように固定されている。従って回転部材４０を回
転すると、磁石３０の両極Ｎ，Ｓを結ぶ線は磁気抵抗素
子１０の真上であって該磁気抵抗素子１０の表面に平行
な面内で回転する。

【００１７】なお回転部材４０には、図示しない変位す
る物体の運動を回転運動に変換してこの回転部材４０を
回転せしめる図示しない変換機構が取り付けられてい
る。

【００１８】ここで図３は前記磁気抵抗素子１０の信号
検出回路を示す図である。同図に示すように、端子３９
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４
９，５１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。

【００１９】そして例えば図１に示す回転部材４０によ
って磁石３０を回転すると、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方向が変
化し、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。

【００２０】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。

【００２１】図４は上記図１に示す回転部材４０を所定
角度（左右１２０°）回転したときの前記図３に示す信
号検出回路の出力信号を示す図である。

【００２２】同図に示すように得られる出力信号はｓｉ
ｎカーブを描く。そしてその直線部分は、マイナス角度
部分については約−７０°〜−１５°の部分が得られ、
その回転角度は約５５°と広い（プラス角度部分につい
ても同様）。

【００２３】従ってこの回転角度５５°の範囲内で前記
回転部材４０が回転するのであれば、その変位量に対す
る出力がリニアに変化するので、最適な出力が得られる
ことがわかる。

【００２４】図５は上記基本原理を用いた鼓動検出器の
１例を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）
は概略側断面図である。

【００２５】同図に示すようにこの鼓動検出器は、略円
形の胴体５０と、該胴体５０の上面に固定される取付部
材５１と、該取付部材５１に回動自在に取り付けられる
略Ｔ字状の棒部材５３と、該棒部材５３に取り付けられ
る磁石３０と、取付部材５１の前記磁石３０に対向する
位置に固定される磁気抵抗素子１０と、胴体５０の中央
に上下動自在に取り付けられる検知ヘッド５５と、胴体
５０上に取り付けられるバネ部材５７とを具備して構成
されている。以下各構成部品について説明する。

【００２６】胴体５０はアルミ、合成樹脂などの非磁性
体を円柱状に形成して構成されており、その上下面には
それぞれ略円形の凹部５９，６１が設けられている。ま
た胴体５０の中央には、検知ヘッド５５を貫通する貫通
孔６３が設けられている。

【００２７】取付部材５１は非磁性体をＥ字状に形成し
て構成されており、その３つの平行な板部６５，６７，
６９の内の２枚の板部６５，６７には円形孔６９，７１
が設けられている。

【００２８】またもう１枚の板部６９には前記図１に示
す磁気抵抗素子１０が貼り付けられている。

【００２９】次に棒部材５３は、２本の円形の棒７３，
７５をＴ字状に接続して構成されている。そして一方の
棒７３が前記取付部材５１の２つの円形孔６９，７１に
回動自在に挿入されている。また該棒７３の一端には磁
石３０が貼り付けられている。

【００３０】なお磁石３０は前記磁気抵抗素子１０の磁
気抵抗形成面に対してそのＮ，Ｓ両極を結ぶ線が平行に
なるように、該磁気抵抗素子１０に接近して配置されて
いる。従って該磁石３０から発射される磁力線の一部は
磁気抵抗素子１０の磁気抵抗形成面に対してほぼ平行に
通過する。

【００３１】次に検知ヘッド５５は非磁性体を棒状に形
成して構成されており、その上端に前記棒部材５３の棒
７５を所定の遊びを持って挿入する挿入孔７７を設け、
その下端に円板状のヘッド部７９を設けて構成されてい
る。

【００３２】バネ部材５７は棒状のバネ材で形成され、
その一端が固定用ビス８３によって胴体５０の凹部５９
内に固定されている。このときバネ部材５７の先端近傍
は前記挿入孔７７を貫通した棒７５の上に弾接すること
で該棒７５を下方向に向けて弾発している。この弾発に
よって棒７５は挿入孔７７の底面に確実に弾接する。

【００３３】次にこの鼓動検出器の動作を説明する。即
ちまずこの鼓動検出器の下面を人の心臓近くの胸の上
（又は手首の上）に取り付けてそのヘッド部７９を皮膚
に密着した状態で、前記図３に示す信号検出回路を用い
て前記磁気抵抗素子１０の出力を測定する。

【００３４】検知ヘッド５５のヘッド部７９は皮膚の振
動に伴って上下動するが、この上下方向への変位は、棒
部材５３の棒７５の揺動運動に変換され、さらに該棒７
５の揺動運動が棒７３の回転運動に変換される。つまり
検知ヘッド５５と棒部材５３によって、直線運動を回転
運動に変換する変換機構が構成されている。

【００３５】なおこのとき、棒７５はバネ部材５７によ
って常に下方向に弾発されて挿入孔７７の下面に当接し
ているので、検知ヘッド５５の上下運動に対して棒７５
はガタなく確実に追従する。

【００３６】そして棒７３の回転運動によって磁石３０
も回転運動し、これによって磁気抵抗素子１０に設けた
各磁気抵抗素子パターン２９，３１，３３，３５（図２
参照）に入射する磁力線の方向が変化し、各磁気抵抗素
子パターン２９，３１，３３，３５の抵抗値がそれに合
わせて変化し、その出力波形が変化する。

【００３７】このときその出力として図４に示す直線部
分を利用すれば、検知ヘッド５５の上下運動を忠実に出
力波形に再現できる。

【００３８】なお心臓の鼓動に伴う皮膚の振動は±５μ
ｍ程度であるが、前記鼓動検出器において検知ヘッド５
５が±５μｍ変位すると、棒７３即ち磁石３０の回動角
度は、棒７３の中心軸から検知ヘッド５５の中心軸まで
の距離を７mmとした場合、約±０．０８°程度である。
そして前記図４から、その出力は振幅全体で１６９．３
mV／９０°、即ち１°当り１．８８１mV／１°なので、
±０．０８°の揺動からは約±０．１５mV程度の出力変
化が得られる。このため該微振動の検出は十分可能であ
る。

【００３９】ここで図６（ａ）は前記方法によって測定
した出力波形を示す図である。なお図６（ｂ）は心電図
を用いて心臓の収縮によって生じる電流波形を測定した
結果を示す図である。

【００４０】図６（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。

【００４１】ところで、前記図５に示す鼓動検出器の棒
７３の中心軸から検知ヘッド５５の中心軸までの距離を
７mmとし、且つ検知ヘッド５５がその標準となる位置か
ら上下方向に２mm移動した位置を中心にして前記測定を
したとすると、tanθ＝（２／７）より、棒７３は回動
角度θ≒±１５．９°だけ変動した位置を中心にして測
定が行なわれることとなる。

【００４２】しかしながらたとえ測定時の磁石３０が標
準位置から回転角度±１５．９°だけずれていても、該
標準位置を図４に示す出力の直線領域の中央に設定して
おけば、該直線領域は約５５°（±２７．５°）あるの
でやはり該直線領域内に入り、従って該直線を利用して
検知ヘッド５５の上下運動を正確な出力波形に変換でき
る。

【００４３】つまり本発明によれば、この鼓動検出器を
人の皮膚に押し当てた際に、検知ヘッド５５の位置が、
人の皮膚の弾力や皮下脂肪の量による盛り上がりによっ
て上下方向に２〜３mm程度ずれたとしても、その位置で
十分検出可能な正確な鼓動の出力波形が得られる。

【００４４】以上本発明の１実施形態を詳細に説明した
が、本発明はこの実施形態に限定されず、例えば以下の
ような変形が可能である。 上記実施形態においては、本発明を鼓動検出器に利用
した例を示したが、本発明はこれに限定されず、微小変
位を検出する必要のある部分であれば、どのようなもの
にも利用できる。即ち例えば紙の厚みを検出する紙厚検
出器に利用したり、紙やシートの上に印刷したインクの
厚み（１０μｍ程度）を検出するインク厚み検出器等と
しても利用できる。

【００４５】前記微小変位検出器においては、磁石と
磁気抵抗素子を用いたが、さらに前記磁石の磁力線を集
めて前記磁気抵抗素子の磁気抵抗形成面に平行に入射さ
せるための所定形状の軟磁性体を取り付けても良い。

【００４６】変位する物体の運動を回転運動に変換す
る変換機構は、上記実施形態に開示された機構に限定さ
れず、他の種々の構造のものを用いても良い。またこの
変換機構は上記実施形態においては磁石側に取り付けた
が、磁気抵抗素子側に取り付けても良い。

【００４７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、たとえ磁石や磁気抵抗素子の相対的設置位置が大き
くずれたとしても、検出可能で安定した出力信号が得ら
れるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる微小変位検出器の基本的動作原
理を示す概略図であり、同図（ａ）は斜視図、同図
（ｂ）は平面図、同図（ｃ）は側断面図である。

【図２】磁気抵抗素子１０の磁気抵抗素子パターン２
９，３１，３３，３５を形成した面を示す概略平面図で
ある。

【図３】磁気抵抗素子１０の信号検出回路を示す図であ
る。

【図４】図１に示す回転部材４０を回転したときの図３
に示す信号検出回路の出力信号を示す図である。

【図５】本発明の一実施形態にかかる鼓動検出器を示す
図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は概略側断
面図である。

【図６】図６（ａ）は図５に示す鼓動検出器の出力波形
を示す図であり、図６（ｂ）は心電図を用いて心臓の収
縮によって生じる電流波形を示す図である。

【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。

【符号の説明】

１０ 磁気抵抗素子 ３０ 磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−298815（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−35003（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34 102 G01D 5/00 - 5/252 G01D 5/39 - 5/62 G01L 7/00 - 23/32 A61B 5/00 - 5/03 H01L 43/00 - 43/14

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 胴体と、胴体に取り付けられる取付部材
   と、取付部材に回動自在に取り付けられる一方の棒と前
   記一方の棒の回転運動を揺動運動に変換する他方の棒と
   からなる棒部材と、前記一方の棒と取付部材の対向する
   位置に取り付けられる磁石及び磁気抵抗素子と、胴体に
   上下動自在に取り付けられて前記棒部材の他方の棒に連
   結される検知ヘッドとを具備し、 前記検知ヘッドの変位する物体の振動に伴う上下方向へ
   の変位が、棒部材の他方の棒の揺動運動から一方の棒の
   回転運動に変換されて磁気抵抗素子の磁気抵抗形成面に
   略平行に入射する磁石の磁力線の方向が該磁気抵抗形成
   面内において相対的に回転して変化することを特徴とす
   る微少変位検出器。