KR970000027B1 - 역학량센서 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

역학량센서

제1도는 본 발명의 제1실시예에 있어서의 일부투시평면도.

제2도는 제1도의 A-A'선 단면도.

제3도는 제1도의 B-B'선 단면도.

제4도는 본 발명 제2실시예에 있어서의 사시도.

제5도는 제4도의 G-G'선 단면도.

제6도는 본 발명의 제3실시예에 있어서의 일부투시평면도.

제7도는 제6도의 J-J'선 단면도.

제8도는 제6도의 K-K'선 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11,21,31 : 기판 12a,12b,24,32a,32b : 강자성체층

13a,13b,16,23,25,33a,33b,36 : 절연층 14,34 : 평면코일

22 : 도선 15a,15b,35a,35b : 입출력단자

17,37 : 돌출부 18,38 : 안쪽끝

19,39 : 금와이어

본 발명은 역학량검출용의 센서에 관한 것이다.

최근, 전자기기의 소형화, 박형화가 진척되고 있고, 역학량센서(mechanical sensor)도 더한층 소형화가 요구되고 있다. 현재, 응력자기효과를 이용한 역학량센서로서는 원통에 정(正)의 포화자기왜곡(magneto striction) 정수를 가진 비정질자성합금박대(薄帶=Ribbon, 이하 리본이라 함)를 접착하고, 인가되는 응력에 의한 상기 리본의 투자율(permeability)의 변화를 솔레노이드형상코일로 검출하는 방식의 센서가 실용화되고 있다(예를 들면 SAE TECHNICAL PAPER SERIES 920700).

그러나, 상기 종래의 구성에서는 선재(線材)를 솔레노이드형상으로 감아서 제작한 코일과 벌크의 강자성체층(magnetic layer)를 사용하고 있기 때문에, 소형화, 집적화가 곤란하다고 하는 문제점이 있다. 또, 강자성체층의 두께가 20-30㎛이며, 선재의 직경도 20-30㎛ 이상은 되기 때문에, 고주파화에도 한계가 있다. 평면형상의 역학층센서로서는 금속박을 사용한 변형게이지(Stam gauge)가 있으나, 감도가 응력자기효과(Stress-magnetic effect)를 사용한 것에 비하여,이하밖에 없다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하는 것으로서, 소형이고 또한 박형이며, 집적화가 가능한 고감도역학량센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판위에 형성한 코일과, 그 코일에 여자되는 적어도 일부가 자기왜곡을 가진 강자성체층을 구비하고, 인가되는 응력에 의한 강자성체층의 투자율변화를 임피던스의 변화로해서 검출하는 구성의 역학량센서이다. 이 구성에 의하면, 평면형상에 응력자기효과를 사용한 역학량센서를 형설할 수 있기 때문에, 소형화, 박형화, 집적화, 고감도화에 용이하게 대응할 수 있다.

바람직하기는, 도선은 강자성체층을 동일방향으로 여자하도록 설계한다. 이와 같은 구성으로 하므로서, 감도가 좋고 크로스토오크가 적은 역학량센서를 실현할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다.

[실시예 1]

먼저 본 발명의 제1실시예에 대해서 설명한다.

제1도는 제1실시예에 있어서의 역학량센서의 구성을 표시한 평면도, 제2도는 제1도의 A-A'선에 있어서의 단면도, 제3도는 제1도의 B-B'선에 있어서의 단면도이다.

제1도, 제2도, 제3도를 사용해서 본 실시예의 역학량센서의 구성을 설명하면, 긴변 30mm, 짧은변 15mm, 두께0.5mm의 인청동으로 이루어진 기판(11)위에 두께 5㎛의 강자성체층(12a)이 형성되어 있다. 강자성체층(12a)은 스퍼터법에 의해 형성된 Fe기 비정질 합금막이며, 조성은 Fe, Cr, Si, B로 이루어진다. 1MHz에 있어서의 비투자율(relative permeability)은 100, 포화자기왜곡정수는 +22ppm이다. 이 강자성체층(12a) 위에 두께 2㎛의 SiO₂로 이루어진 절연층(13a)이 형성되어 있고, 그위에 두께 5㎛의 알루미늄막으로 이루어진 평면코일(14) 및 입출력단자(15a),(15b)가 형성되어 있다. 평면코일(14)은 직선상의 도선으로 이루어지고, 나선형코일을 90°씩 직사각형파형상으로 접어 구부린 형상을 하고 있다. 코일의 크기는 길이 C가 3000㎛, 길이 D가 820㎛이다. 평면코일(14)의 선폭은 30㎛, 선간격은 인접하여 전류가 흐르는 방향이 동일한 도선간은 10㎛, 인접하여 전류가 흐르는 방향이 반대인 도선간은 180㎛이다. 인접하여 전류가 흐르는 방향이 동일한 도선간에는 도선과 동일한 두께의 절연층(16)이 형성되어 있다. 또 평면코일(14)에는 전극인출을 위한 돌출부(17)가 형성되어 있다. 돌출부(17)의 안쪽에 있는 안쪽끝(18)은 금와이어(19)에 의해 와이어본딩법을 사용해서 입출력단자(15a)에 접속되어 있다. 또, 평면코일(14)의 직사각형파형상으로 접어구부려진 부분을 덮도록, 절연층(13a)과 동일한 재질, 두께, 제조법의 절연층(13b) 및 강자성체층(12a)과 동일한 재질, 제조법, 두께의 강자성체층(12b)이 형성되어 있다.

또한, 설명의 형편상, 제1도에 있어서는 강자성체층(12b)의 밑에 평면코일(14)만이 보이는 도면으로 하였다. 본 실시예의 구성에서는 돌출부(17)를 형성하고, 안쪽끝(18)과 입출력단자(15a)를 와이어본딩으로 연결하고 있으므로, 사지평판프로세스가 1회로 끝나서 가단히 제작할 수 있는 이점이 있다.

다음에 본 실시예에 의한 역학량센서의 동작에 대해서 설명한다.

코일을 직사각형파형상으로 접어구부리고 있는 이유는 2가지였다. 제1은, 강자성층(12a),(12b)이 5㎛로 얇고, 비투자율도 100으로 작기 때문이다. 강자성체층(12a),(12b)속을 흐르는 자속이 1/e로 감쇠하는 길이, 소위 특성길이를 λ로 하면 λ=√(μr·g·tm/2)로 표시할 수 있는 것이 알려져 있다(예를 들면 IEEE Tr. Magn. MAG 14, PP 509-511). 여기서 μr은 강자성체층(12a),(12b)의 비투자율, g는 갭, tm은 막두께이다. 이 식에 상기의 값을 대입하면 λ=32㎛가 되고, 도선으로부터 30㎛정도 떨어지면 1/e로 감쇠해버린다. 그 때문에, 평면코일(14)을 접어구부려서 강자성체층(12a),(12b) 전체가 자심(磁心)으로서 유효하게 작용하는 구성으로 하였다. 인접하여 전류의 방향이 동일한 도선을 근접시키고 있는것도, 마찬가지 이유에서, 도선간에서 누설되는 자속을 최소한으로 하기위해서이다. 이 경우의 도선의 간격은 10㎛이므로, λ에 비해서 충분히 작고, 누설자속은 적으므로 인덕턴스는 턴수의 대략자승배가 된다.

제2의 이유는 다음과 같다. 자기왜곡을 가진 강자성체막에 응력이 가해지면, 자기탄성에너지에 의해, 응력방향으로 자기이방성이 유기(誘起)되고, 그 방향의 투자율이 변화한다. 이 투자율의 변화를 인덕턴스의 변화로해서 검출할 필요가 있으므로, 여자의 방향과 응력의 방향을 가능한한 맞출필요가 있다. 기판위에 도선과 강자성체층을 형성하였을 경우, 편평한도선과 강자성체층은 평행이되므로, 여자방향은 강자성체막의 면내 방향이고, 또한 도선과 직행하는 방향이 된다. 또, 강자성체막에 가해지는 응력은 기판표면에 가해지는 응력과 동등하므로, 강자성체의 면내방향으로 응력이 가해진다고 볼 수 있다.

기판(11)의 면내방향주 긴변방향을 E 방향으로 하고, 기판표면에는 E방향으로 응력이 인가되고 있는 것으로 한다. 평면코일(14)의 면내방향중, 긴변방향을 F방향으로 하고, E방향과 이루는 각을 θ로 한다.

인덕턴스의 변화를 △L로 하면, △L은 인가응력의 여자방향성분에 비례하므로, ①식과 같이 표시할 수 있다.

여기서, △L은 인덕턴스의 변화, K₁은 비레정수, σ는 인가응력, θ는 기판의 긴변방향 E와 평면코일(14)의 긴변방향F가 이루는 각, R은 강자성체층(12a),(12b)사이에 낀 부분에 있어서의 평면코일(14)의 긴변방향의 도선의 합계의 길이, S는 동일부분에 있어서의 짧은변방향의 도선의 합계의 길이이다.

①식에서 △L은 R/S의 비가크고, θ가 90°에 가까울 때 최대치를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 평면코일은 R/S의 비를 크게 설계해서, θ가 90° 근방이 되도록 배치하면 된다. 또, R/S의 비가 크면 크로스토오크(인가응력과 90°어긋난 방향의 응력에 의한 출력성분)도 작게할 수 있다.

상기의 요구를 실현하는데는, 본 실시예와 같이 평면코일을 직사각형파형상으로 접어 구부려서, 동일방향으로 향하는 직선의 길이를 버는 것이 적합하게 되어 있다. 또한 본 실시예에서는 θ=90°로 하고 있다. 접어구부리는 간격, 즉 전류의 방향이 반대로 인접하는 도선의 간격은 λ를 고려해서 결정하면 된다. 지나치게 넓으면 R/S의 비가 작아지고 여자되지 않는 불필요한 면적이 증가한다. 반대로 지나치게 좁으면 인덕턴스가 작아진다. 본 실시예의 경우, λ의 약 6배로 하고 있다. 본 실시예에 있어서는 A2300 0㎛, B1600㎛이므로 R/S=14.4가 된다.

마찬가지의 효과는 일반적인 미안더코일(예를들면, IEEE Tran. Magn. MAG-20 PP 1804-1806,1984)로도 얻을 수 있다. 1턴코일이기 때문에 인덕턴스는 작아지나, 안쪽끝(18)과 입출력단자(15a)를 접속하는 공정을 생략할 수 있고, 공진(共振) 주파수가 높아지는 이점이 있다.

영점보정용의 코일을 배치하는 경우는, ① 식으로부터 최소치는 θ=0일 때 얻을 수 있으므로, θ=0이 되도록 배치하면 된다. 최소치는 S에 비례하므로, 이점에서도 R/S의 비는 큰 쪽이 좋다.

[실시예 2]

다음에 본 발명의 제2실시예에 대해서 설명한다.

제4도는 제2실시예에 있어서의 역학량센서의 구성을 표사한 사시도, 제5도는 제4도의 G-G'선에 있어서의 단면도이다.

제4도, 제5도를 사용해서 본 실시예의 역학량센서의 구성을 설명하면, 긴변 30 mm, 짧은변 15mm, 두께 0.5mm의 적어도 표면이 절연층을 가진 기판(21)위에, 두께 4㎛의 알루미늄막으로 이루어진 도선(22)이 형성되고, 절연층(23)을 개재해서 강자성체층(24)을 솔레노이드형상으로 둘러싸도록 형성되어 있다. 절연층(23)의 두께는 얇은 부분이 2㎛, 두꺼운 부분이 7㎛이다. 도선(22)중 기판표면에 있는 부분의 선간에는 도선(22)과 동일한 두께의 절연층(25)이 형성되어 있다. 강자성체층(24)은 스퍼터법에 의해 형성된 Fe기 비정질합금막이며, 형상은 2000㎛×3000㎛의 직사각형, 막두께는 5㎛, 1MHz에 있어서의 비투자율은 100, 포화 자기왜곡정수가 +22ppm이다.

도선(22)중, 강자성체층(24)의 상하에 있는 부분은 모두 강자성체층의 긴변방향(이 방향을 H방향으로 한다)과 직교하고, 도선(22)은 강자성체층(24)을 강자성체층(24)의 긴변방향으로 여자하는 구성으로 되어있다. 도선(22)이 굴곡되고 있는 부분사이에 끼인 영역보다 안쪽에 강자성체층(24)은 존재하고 있고, 굴곡된 부분이 발생하는 자속은 강자성체층(24)에 거의 영향을 끼치지 않는다.

또한, 제4도에 있어서는 도선(22)을 보기쉽게하기 위하여, 절연층(25)은 생략한 도면으로 하였다.

다음에, 본 실시예의 역학량센서의 동작에 대해서 설명한다.

기판(21)의 면내방향중 긴변방향을 I방향으로 하고, 기판표면에는 I방향으로 응력이 인가되어 있는 것으로 한다. 본 실시예의 경우, 도선(22)은 강자성체층(24)을 H방향으로 여자하는 구성으로 되어 있으므로, 응력에 의한 인덕턴스의 변화는 ② 식과 같이 표시할 수 있다.

여기서, △L은 인덕턴스의변화, K₂는 비례정수, σ는 인가응력, θ는 H방향과 I방향이 이루는 각이다. ② 식에서 명백한 바와 같이, θ가 0°일 때 △L은 최대가 되고, θ가 90°일 때 0이 된다. 본 실시예에서는 θ=0°로 구성되어 있고, 출력은 최대로 얻을 수 있다. 또 ② 식에서, θ를 90°어긋나게한 경우의 출력은 거의 0이라고 생각할 수 있으므로, 코로스토오크는 최소한으로 된다.

영점보정용코일을 구성하는 경우는, θ=90°로 하는 것이 최적인 것은 당연하다. 또한, 도선(22)이 굴곡된 부분사이에 끼인 영역에 자기왜곡을 가진 강자성체층이 존재해도, 역학량센서로서 유효한 것은 말할 것도 없다. 그 경우, △L 및 크로스토오크가 증가한다.

[실시예 3]

다음에 본 발명의 제3실시예에 대해서 설명한다.

제6도는 제3실시예에 있어서의 역학량센서의 구성을 표시한 평면도, 제7도는 제6도의 J-J'선에 있어서의 단면도, 제8도는 제1도의 K-K'선에 있어서의 단면도이다.

제6도, 제7도, 제8도에 있어서, (31)은 긴변 30mm, 짧은변 15mm, 두께 0.5mm의 티탄으로 이루어진 기판, (32a),(32b)는 스퍼터법에 의해 형성된 두께 5㎛의 Fe기 비정질합금막이며, 1MHz에 있어서의 비투자율이 100, 포화자기왜곡정수가 +22ppm이다. (33a)는 두께 2㎛의 SiO₂로 이루어진 절연층, (33b)는 두께 2∼7㎛의 SiO₂로 이루어진 절연층, (34)는 (실시예 1)의 평면코일(14)과 동일한 형상을 가진 두께 5㎛의 알루미늄막으로 이루어진 평면코일, (35a)(35b)는 입출력단자, (36)은 평면코일(34)과 동일한 두께의 절연층, (37)은 평면코일(34)의 돌출부, (38)은 평면코일(34)의 안쪽끝, (39)는 금와이어이다.

또한, 설명의 형편상, 제6도에 있어서는 강자성제층(32b)의 밑에 평면코일(34)만이 보이는 도면으로 하였다.

본 실시예의 역학량센서의 구성은(실시예 1)의 역학량센서의 구성과 기본적으로는 동일하다. 다른점은, 강자성제층(32a),(32b)이 평면코일(34)의 긴변방향(M방향으로 한다)으로 향하고 있는 도선의 상하에만 형성되어 있다는 점이다. 강자성제층은 길이 P가 2400㎛, 길이 Q가 1000㎛이다.

다음에 본 실시예의 역학량센서의 동작에 대해서 설명한다.

기판(31)의 긴변방향을 N방향으로 하고, 기판표면에는 N방향으로 응력이 인가되어 있는 것으로 한다. M방향과 N방향이 이루는 각을 θ로 하고, 인덕턴스의 변화를 △L로 하면, △L은 ①식에 R=(2400×8)/2300≒0.8R.S=0을 대입하여, ③식과 같이 표시할 수 있다.

③식에서 명백한 바와 같이 θ=90°일 때 △L은 최대가 되고, θ=0°일 때 △L은 0이 된다. 본 실시예에서는 θ=90°에 구성되어 있다.

(실시예 1)과 비교하면, △L은 약 20% 작아지나, θ가 90°어긋나면 △L=0이 되므로 크로스토오크는 거의 0이 되고, 이점은 (실시예 1)보다 뛰어나 있다. 영점보정용코일을 θ=0으로 구성해서 배치하는 경우, 크로스토오크가 작은 것이 유리하게 작용하는 것은 당연하다.

또, 통상의 미안더코일로도 마찬가지의 구성을 이룰 수 있는 것은 말할것도 없다.

또한, 실시예 1∼3에 있어서는 자기왜곡을 가진 강자성제층으로서, 스퍼터법에 의해 형성한 정(正)의, 포화자기왜곡정수를 가진 Fe기 비정질합금을 사용하였으나, 자기왜곡을 가진 강자성제층이면 다른 재료도 사용할 수 있다.

또, 실시예1∼3에 있어서는 자기왜곡을 가진 강자성제층만을 사용하고 있으나, 자기왜곡이 거의 영의 비투자율이 높은 강자성체층을 자기회로의 일부에 사용할 수 있는 것은 당연하다.

Claims (5)

1. 기판위에 형성한 코일과, 그 코일에 여자되는 강자성체층을 포함한 자기회로를 구비하고, 그 강자성체층의 적어도 일부가 자기왜곡을 가지고, 자기왜곡을 가진 강자성체층에 발생하는 응력을 임퍼던스의 변화로서 검출하는 것을 특징으로 하는 역학량센서.
2. 제1항에 있어서, 기판위에 형성한 평면코일이 스파이럴형상의 도선을 접어구부린 형상을 가지고 접어 구부린 부분에 있어서, 전류방향이 동일한 인접하는 도선 사이의 거리가, 전류방향이 반대방향인 인접하는 도선사이의 거리보다도 작은 것을 특징으로 하는 역학량센서.
3. 제1항에 있어서, 자기왜곡을 가진 강자성체층이 동일방향의 도선에만 여자되는 것을 특징으로 하는 역학량센서.
4. 제1항에 있어서, 기판위에 형성된 코일이 솔레이노이드형상의 도선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 역학량센서.
5. 제1항에 있어서, 도선을 직사각형파형상으로 접어구부린 형상의 평면코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 역학량센서.