JP6190227B2 - 圧力センサ、マイクロフォン、血圧センサ、携帯情報端末および補聴器 - Google Patents
圧力センサ、マイクロフォン、血圧センサ、携帯情報端末および補聴器 Download PDFInfo
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Description
磁気抵抗効果素子を用いた圧力センサを含むマイクロフォンが内蔵された携帯情報端末などでは、配置スペースの縮小化などにより、マイクロフォンがスピーカに比較的近い位置に設けられることがある。すると、音声信号がフィードバックされ、エコーが発生することがある。
実施形態によれば、基体と、歪み検知素子と、磁場検知素子と、処理部と、を備えた圧力センサが提供される。前記基体は、圧力に応じて歪みを生ずる膜体を有する。前記歪み検知素子は、前記膜体の上に設けられる。前記歪み検知素子は、第1の磁化を有する第1磁性層と、第2の磁化を有する第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、を含む。前記第1の磁化の方向と前記第2の磁化の方向との間の角度は、前記歪みに応じて変化する。前記磁場検知素子は、前記膜体以外の前記基体の上に設けられる。前記磁場検知素子は、第3の磁化を有する第3磁性層と、第4の磁化を有する第4磁性層と、前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた第2中間層と、を含む。前記第3の磁化の方向と前記第4の磁化の方向との間の角度は、前記磁界に応じて変化する。前記処理部は、前記歪み検知素子の出力信号と前記磁場検知素子の出力信号とを処理する。前記膜体は圧力によって変形する。前記処理部は、前記歪み検知素子の出力信号の強度と、前記磁場検知素子の出力信号の強度と、の間の強度比に基づいて補正係数を求める強度推定部と、前記圧力のうちの一部の圧力に基づく信号と、前記磁界に基づく信号と、の間の位相差を求める遅延推定部と、前記強度推定部の出力信号と前記遅延推定部の出力信号とにより疑似信号を作製する変換部と、前記歪み検知素子の出力信号から前記疑似信号を差し引く処理を実行する第1差動回路と、前記第1差動回路の出力信号から前記磁場検知素子の出力信号を差し引く処理を実行する第2差動回路と、を含む。
実施形態によれば、基体と、歪み検知素子と、磁場検知素子と、処理部と、を備えた圧力センサが提供される。前記基体は、圧力に応じて歪みを生ずる膜体を有する。前記歪み検知素子は、前記膜体の上に設けられる。前記歪み検知素子は、第1の磁化を有する第1磁性層と、第2の磁化を有する第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、を含む。前記第1の磁化の方向と前記第2の磁化の方向との間の角度は、前記歪みに応じて変化する。前記磁場検知素子は、前記膜体以外の前記基体の上に設けられる。前記磁場検知素子は、第3の磁化を有する第3磁性層と、第4の磁化を有する第4磁性層と、前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた第2中間層と、を含む。前記第3の磁化の方向と前記第4の磁化の方向との間の角度は、前記磁界に応じて変化する。前記処理部は、前記歪み検知素子の出力信号と前記磁場検知素子の出力信号とを処理する。前記処理部は、前記歪み検知素子の出力信号と前記磁場検知素子の出力信号との差分を出力可能である。
実施形態によれば、基体と、歪み検知素子と、磁場検知素子と、処理部と、を備えた圧力センサが提供される。前記基体は、圧力に応じて歪みを生ずる膜体を有する。前記歪み検知素子は、前記膜体の上に設けられる。前記歪み検知素子は、第1の磁化を有する第1磁性層と、第2の磁化を有する第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、を含む。前記第1の磁化の方向と前記第2の磁化の方向との間の角度は、前記歪みに応じて変化する。前記磁場検知素子は、前記膜体以外の前記基体の上に設けられる。前記磁場検知素子は、第3の磁化を有する第3磁性層と、第4の磁化を有する第4磁性層と、前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた第2中間層と、を含む。前記第3の磁化の方向と前記第4の磁化の方向との間の角度は、前記磁界に応じて変化する。前記処理部は、前記歪み検知素子の出力信号と前記磁場検知素子の出力信号とを処理する。前記処理部は、前記歪み検知素子の出力信号から得られた信号と、前記磁場検知素子の出力信号と、の差分を出力可能である。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
実施形態に係る圧力センサ310は、検知部100と、処理部210と、を備える。検知部100は、歪み検知素子110と、磁場検知素子120と、を含む。歪み検知素子110および磁場検知素子120は、磁気抵抗効果素子である。歪み検知素子110は、圧力および磁場を検知する。磁場検知素子120は、磁場を検知する。処理部210は、差動回路201を含む。差動回路201は、歪み検知素子110の出力信号と、磁場検知素子120の出力信号と、を処理する。
図2(a)は、実施形態の検知部を表す模式的平面図である。図2(b)は、図2(a)に表した切断面A1−A2における模式的断面図である。
図3(a)は、実施形態の歪み検知素子および磁場検知素子を例示する模式的斜視図である。図3(b)は、他の実施形態の歪み検知素子および磁場検知素子を例示する模式的斜視図である。図3(c)は、さらに他の実施形態の歪み検知素子および磁場検知素子を例示する模式的斜視図である。
磁歪定数の絶対値を大きくすれば、応力の変化に応じた磁化方向の変化量を大きくすることができる。
これらの金属および合金には、添加元素や極薄層として、B,Al,Si,Mg,C,Ti,V,Cr,Mn、Cu,Zn,Ga,Zr,Hfなどが添加されていてもよい。
第1磁性層111および第2磁性層112としては、結晶磁性層だけではなく、アモルファス磁性層が用いられてもよい。
また、第1磁性層111および第2磁性層112としては、酸化物や窒化物の磁性層が用いられてもよい。
例えば、第1磁性層111および第2磁性層112は、FeCoを含む層(例えば、CoFeやCoFeを含む合金の層)と、FeCoを含む層と積層される以下の層と、を有していてもよい。
FeCoを含む層と積層される層は、Fe−Co−Si−B合金、λs>100ppmを示すTb−M−Fe合金(Mは、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er)、Tb−M1−Fe−M2合金(M1は、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、M2は、Ti,Cr,Mn,Co,Cu,Nb,Mo,W,Ta)、Fe−M3−M4−B合金(M3は、Ti,Cr,Mn,Co,Cu,Nb,Mo,W,Ta、M4は、Ce,Pr,Nd,Sm,Tb,Dy,Er)、Ni、Al−Feやフェライト(Fe3O4、(FeCo)3O4など)などから形成される。
第1中間層113は、例えば、金属材料や絶縁性材料などにより形成される。
金属材料としては、例えば、Cu、Au、Agなどが挙げられる。
絶縁性材料としては、例えば、マグネシウム酸化物(MgOなど)、アルミニウム酸化物(Al2O3など)、チタン酸化物(TiOなど)、亜鉛酸化物(ZnOなど)などが挙げられる。
第1中間層113が絶縁性材料を用いて形成された場合には、トンネル磁気抵抗効果(TMR;Tunnel Magneto-Resistance Effect)が発現する。
圧力センサ310においては、歪み検知素子110の積層方向に沿って電流を流すCPP−GMR(Current-Perpendicular-to-Plane Giant Magnetoresistance)が用いられる。圧力センサは歪みセンサともいう。
あるいは、第1電極116および第2電極117は、導電性を有する軟磁性体により形成される。第1電極116および第2電極117は、軟磁性体により形成されると外部からの磁気ノイズを低減することができる。この場合、第1電極116および第2電極117は、例えば、パーマロイ(NiFe合金)や珪素鋼(FeSi合金)などにより形成される。
第2磁性層112および第1中間層113は、図3(a)に関して前述した通りである。
磁性積層膜111aは、磁気抵抗効果(Magnetoresistance)の変化率を大きくする。磁性積層膜111aは、例えば、コバルトや鉄、ニッケルなどを含む層により形成される。例えば、磁性積層膜111aとしては、CoFeB層などが挙げられる。
高磁歪磁性膜111bは、磁性積層膜111aと、キャップ層115と、の間に設けられる。高磁歪磁性膜111bは、例えば、Fe−Co−Si−B合金などによ形成される。
第1絶縁層118aおよび第2絶縁層118bが設置されると、周囲にリーク電流が流れることを抑制することができる。
図4(a)〜図4(c)は、面内磁化方式の例を表す。
図5(a)〜図5(c)は、垂直磁化方式の例を表す。
図4(a)および図5(a)は、応力が印加されていないときの歪み検知素子110の状態を例示している。図4(b)および図5(b)は、歪み検知素子110が正の磁歪定数を有するときに引っ張り応力が印加されたときの歪み検知素子110の状態を例示している。図4(c)および図5(c)は、歪み検知素子110が負の磁歪定数を有するときに引っ張り応力が印加されたときの歪み検知素子110の状態を例示している。
ここでは、第1磁性層111が参照層であり、第2磁性層112が磁化自由層である場合を例に挙げて説明する。第1磁性層111は、第1面111sを有する。第2磁性層112は、第2面112sを有する。
ダイアフラムが例えば音圧などの圧力を受けて歪むと、検知部100は、ダイアフラムの上に配置された歪み検知素子110の抵抗値の変化に比例した電圧の変化を取り出す。例えば、検知部100は、音声信号を電圧信号に変換して出力する音声信号変化素子である。検知部100の出力信号のレベルが比較的低いため、検知部100の出力側は、増幅器(図示せず)を含む処理部210に接続される。これにより、検知部100の出力信号が増幅される。
このように、歪み検知素子110は、膜体133に生じた歪みによる圧力と、磁場と、を検知することができる。
このように、磁場検知素子120は、圧力を検知しない一方で、磁場を検知することができる。
図6(a)は、ヒトの動脈血管の上の皮膚を例示する模式的平面図である。図6(b)は、図6(a)に表した切断面H1−H2における模式的断面図である。
そのため、図6(b)に表したように、血圧センサ330の圧力センサ310などが設けられた部分を動脈血管341の上の皮膚343に容易に押し当てることができる。その結果、連続的、且つ、高精度な血圧測定を行うことが可能となる。
図7に表したように、実施形態に係るマイクロフォン410は、例えば、携帯情報端末400に組み込まれる。マイクロフォン410は、ICレコーダーなどに組み込まれてもよい。図7に表した携帯情報端末400は、マイクロフォン410と、表示部420と、スピーカ430と、を含む。
スピーカ430としては、ボイスコイルスピーカが用いられる。スピーカ430は、通話者の相手(通話相手)の音声信号を出力する。
図8(a)は、実施形態に係るマイクロフォンを例示する模式的平面図である。図8(b)は、図8(a)に表した切断面E1−E2における模式的断面図である。
図8(a)および図8(b)に表したマイクロフォン410は、実装基板411と、圧力センサ320と、カバー部413と、を備える。圧力センサ320は、検知部100と、処理部220と、を含む。
第1面411sに対して垂直な方向をZ軸方向とする。Z軸方向に対して垂直な1つの方向をX軸方向とする。Z軸方向とX軸方向とに対して垂直な方向をY軸方向とする。 第2面411bは、Z軸方向において、第1面411sと離隔する。
処理部220は、第1面411sの上に設けられる。
カバー部413は、第1面411sの上に設けられ、検知部100および処理部220を内部に格納する。実装基板411には、電極パッドが設けられる。
本願明細書において、「上に設けられる」状態は、直接接して設けられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて設けられる状態も含む。
図10は、実施形態のエコーキャンセルの原理を例示するブロック図である。
図11は、実施形態の伝播補正係数を説明するグラフ図である。
図11に表したグラフ図の横軸は、周波数(a.u.:任意単位)を表す。図11に表したグラフ図の縦軸は、信号強度(a.u.)を表わす。
遅延推定部223は、スピーカ430が出力した音声信号と、スピーカ430が出力した磁場信号と、の間の位相差を特定する。
周波数領域変換部221は、磁場検知素子120の出力信号MD1のフーリエ変換を行い、磁場検知素子120の時間領域信号(出力信号MD1)を周波数領域信号MD2へ変換する。
一方で、スピーカ430が出力する音声信号ASの伝播方式は、スピーカ430が出力する磁場信号MSの伝播方式とは異なる。すなわち、スピーカ430が出力する音声信号ASは、音波として伝播する。スピーカ430が出力する磁場信号MSは、磁場として伝播する。そのため、スピーカ430が出力する音声信号ASの強度は、スピーカ430が出力する磁場信号MSの強度とは異なる。そのため、この状態のままでは、スピーカ430が出力する磁場信号MSに基づいてスピーカ430が出力する音声信号ASを再現することはできない。
なお、所定の閾値TSは、歪み検知素子110の検知限界以上の信号強度および磁場検知素子120の検知限界以上の信号強度で規定される。
図8(a)および図8(b)に関して前述したように、歪み検知素子110は、圧力および磁場を検知する。そのため、第1差動回路225の出力信号DC1は、磁場信号を含むことがある。
そこで、第2差動回路226は、第1差動回路225の出力信号DC1から磁場検知素子120の出力信号MD1を差し引き、第1差動回路225の出力信号DC1と磁場検知素子120の出力信号MD1との間の差分(出力信号DC2)を出力する。これにより、第1差動回路225の出力信号DC1の中の磁場検知素子120の出力信号MD1(スピーカ430が出力した磁場信号MSおよび外部磁場)が除去される。
マイクロフォン410、圧力センサ320およびスピーカ430は、図7〜図11に関して前述した通りである。
また、実施形態の説明では、圧力センサ310、320が血圧センサ330、携帯情報端末400およびマイクロフォン410に用いられる場合を例として挙げた。但し、圧力センサ310、320の用途はこれだけに限定されず、圧力センサ310、320は、例えばスピーカーフォンに用いられてもよい。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (16)
- 変形可能な膜体を有する基体と、
前記膜体の上に設けられた歪み検知素子であって、
第1の磁化を有する第1磁性層と、
第2の磁化を有する第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、
を含み、前記第1の磁化の方向と前記第2の磁化の方向との間の角度が前記歪みに応じて変化する歪み検知素子と、
前記膜体以外の前記基体の上に設けられた磁場検知素子であって、
第3の磁化を有する第3磁性層と、
第4の磁化を有する第4磁性層と、
前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた第2中間層と、
を含み、前記第3の磁化の方向と前記第4の磁化の方向との間の角度が前記磁界に応じて変化する磁場検知素子と、
前記歪み検知素子の出力信号と前記磁場検知素子の出力信号とを処理する処理部と、
を備え、
前記膜体は圧力によって変形し、
前記処理部は、前記歪み検知素子の出力信号から前記磁場検知素子の出力信号を差し引く処理を実行する、圧力センサ。 - 変形可能な膜体を有する基体と、
前記膜体の上に設けられた歪み検知素子であって、
第1の磁化を有する第1磁性層と、
第2の磁化を有する第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、
を含み、前記第1の磁化の方向と前記第2の磁化の方向との間の角度が前記歪みに応じて変化する歪み検知素子と、
前記膜体以外の前記基体の上に設けられた磁場検知素子であって、
第3の磁化を有する第3磁性層と、
第4の磁化を有する第4磁性層と、
前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた第2中間層と、
を含み、前記第3の磁化の方向と前記第4の磁化の方向との間の角度が前記磁界に応じて変化する磁場検知素子と、
前記歪み検知素子の出力信号と前記磁場検知素子の出力信号とを処理する処理部と、
を備え、
前記膜体は圧力によって変形し、
前記処理部は、
前記歪み検知素子の出力信号の強度と、前記磁場検知素子の出力信号の強度と、の間の強度比に基づいて補正係数を求める強度推定部と、
前記圧力のうちの一部の圧力に基づく信号と、前記磁界に基づく信号と、の間の位相差を求める遅延推定部と、
前記強度推定部の出力信号と前記遅延推定部の出力信号とにより疑似信号を作製する変換部と、
前記歪み検知素子の出力信号から前記疑似信号を差し引く処理を実行する第1差動回路と、
前記第1差動回路の出力信号から前記磁場検知素子の出力信号を差し引く処理を実行する第2差動回路と、
を含む、圧力センサ。 - 前記磁界に基づく信号は、ボイスコイルスピーカが出力する磁場信号である請求項2記載の圧力センサ。
- 前記圧力のうちの一部の圧力に基づく信号は、ボイスコイルスピーカが出力する音声信号である請求項2または3に記載の圧力センサ。
- 前記強度推定部は、前記歪み検知素子の出力信号のピーク強度と、前記磁場検知素子の出力信号のピーク強度と、の間の強度比のうちで最小の強度比を前記補正係数に設定する請求項2〜4のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記強度推定部は、前記歪み検知素子の出力信号の強度および前記磁場検知素子の出力信号の強度が所定閾値以上となる周波数帯域において前記強度比を求める請求項2〜5のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記所定閾値は、前記歪み検知素子の検知限界以上の信号強度および前記磁場検知素子の検知限界以上の信号強度により規定されてなる請求項6記載の圧力センサ。
- 変形可能な膜体を有する基体と、
前記膜体の上に設けられた歪み検知素子であって、
第1の磁化を有する第1磁性層と、
第2の磁化を有する第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、
を含み、前記第1の磁化の方向と前記第2の磁化の方向との間の角度が前記歪みに応じて変化する歪み検知素子と、
前記膜体以外の前記基体の上に設けられた磁場検知素子であって、
第3の磁化を有する第3磁性層と、
第4の磁化を有する第4磁性層と、
前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた第2中間層と、
を含み、前記第3の磁化の方向と前記第4の磁化の方向との間の角度が前記磁界に応じて変化する磁場検知素子と、
前記歪み検知素子の出力信号と前記磁場検知素子の出力信号とを処理する処理部と、
を備え、
前記処理部は、前記歪み検知素子の出力信号と前記磁場検知素子の出力信号との差分を出力可能である、圧力センサ。 - 変形可能な膜体を有する基体と、
前記膜体の上に設けられた歪み検知素子であって、
第1の磁化を有する第1磁性層と、
第2の磁化を有する第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、
を含み、前記第1の磁化の方向と前記第2の磁化の方向との間の角度が前記歪みに応じて変化する歪み検知素子と、
前記膜体以外の前記基体の上に設けられた磁場検知素子であって、
第3の磁化を有する第3磁性層と、
第4の磁化を有する第4磁性層と、
前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた第2中間層と、
を含み、前記第3の磁化の方向と前記第4の磁化の方向との間の角度が前記磁界に応じて変化する磁場検知素子と、
前記歪み検知素子の出力信号と前記磁場検知素子の出力信号とを処理する処理部と、
を備え、
前記処理部は、前記歪み検知素子の出力信号から得られた信号と、前記磁場検知素子の出力信号と、の差分を出力可能である、圧力センサ。 - 前記歪み検知素子は、磁界を更に検知する請求項1〜9のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記第1磁性層、前記第1中間層および前記第2磁性層は、前記第1磁性層から前記第2磁性層に向かう第1積層方向に積層され、
前記第3磁性層、前記第2中間層および前記第4磁性層は、前記第3磁性層から前記第4磁性層に向かう第2積層方向に積層され、
前記第1の磁化の方向は、前記第1積層方向に対して垂直であり、
前記第2の磁化の方向は、前記第1積層方向に対して垂直であり、
前記第3の磁化の方向は、前記第2積層方向に対して垂直であり、
前記第4の磁化の方向は、前記第2積層方向に対して垂直である請求項1〜10のいずれか1つに記載の圧力センサ。 - 前記第1磁性層、前記第1中間層および前記第2磁性層は、前記第1磁性層から前記第2磁性層に向かう第1積層方向に積層され、
前記第3磁性層、前記第2中間層および前記第4磁性層は、前記第3磁性層から前記第4磁性層に向かう第2積層方向に積層され、
前記第1の磁化の方向は、前記第1積層方向に対して平行であり、
前記第2の磁化の方向は、前記第1積層方向に対して平行であり、
前記第3の磁化の方向は、前記第2積層方向に対して平行であり、
前記第4の磁化の方向は、前記第2積層方向に対して平行である請求項1〜10のいずれか1つに記載の圧力センサ。 - 請求項1〜12のいずれか1つに記載の圧力センサを備えた血圧センサ。
- 請求項1〜12のいずれか1つに記載の圧力センサを備えたマイクロフォン。
- 請求項14記載のマイクロフォンを備えた携帯情報端末。
- 請求項14記載のマイクロフォンを備えた補聴器。
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