JP2002206904A

JP2002206904A - センサ

Info

Publication number: JP2002206904A
Application number: JP2001070457A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Ohashi; 俊幸大橋
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2002-07-26
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: JP4736210B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型・高感度の位置検出センサを提供するこ
と。【解決手段】このセンサ１０は、永久磁石１２〜１５
と磁気センサ１６とを備えている。検出対象物２０は、
永久磁石１２と永久磁石１５の中央を通り、ｘ軸方向に
伸びる線上であって、磁気センサ１６のｚ軸方向上側に
配置され、ｘ軸に平行な状態を維持しながらｙ軸方向に
振動する。これにより、磁気センサ１６には、検出対象
物２０がｙ軸正方向に変位するとｘ軸正方向の磁界が作
用し、同検出対象物２０がｙ軸負方向に変位するとｘ軸
負方向の磁界が作用する。磁気センサ１６は、かかる磁
界を検出する。このようにＮ極及びＳ極により磁場が形
成されるので、磁界の強さの勾配を高くすることがで
き、磁気センサ１６に作用する磁界は検出対象物の位置
変化に対し大きく変化するため、同検出対象物の位置を
高い感度で検出することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配設された磁石の
磁極によりゼロ磁界領域を含む磁場を形成し、同磁場の
変化を検出することにより同磁場中を移動する検出対象
物の位置等を検出するセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、２つの磁石の同極（例えば、
Ｎ極）同士を対向させて磁場を形成するとともに同磁場
中に形成されるゼロ磁界の領域にホール素子等の磁気感
応素子を配設し、検出対象物の移動に伴う同磁場の変化
を同磁気感応素子により検出することで同検出対象物の
位置等を検出するセンサが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のセンサにあっては、同極同士を対向させて磁場を形
成するため、一方の磁石が他方の磁石の発生する磁界と
逆向きの磁界を発生することになる。このため、両磁石
の磁荷の大きさを大きくしたり、又は、両磁石を近づけ
ても、両磁石により形成される磁場中に生じるゼロ磁界
領域近傍の磁界の強さの勾配（磁力線の密度）に自ずと
限界が生じ、結果として、センサの感度を良好にできな
いという問題がある。

【０００４】

【本発明の概要】本発明の目的の一つは、磁場の変化を
検出するセンサであって、その感度が良好なセンサを提
供することにあり、その特徴は、少なくとも２つ以上の
Ｎ極と少なくとも２つ以上のＳ極とを非直線上に配設
し、前記Ｎ極及び前記Ｓ極によりゼロ磁界の領域を含む
磁場を形成するとともに同Ｎ極及び同Ｓ極とによって画
定される領域内に磁気感応素子を配設し、前記磁気感応
素子により前記磁場を変化させる検出対象物の位置に応
じた値を出力するようにセンサを構成したことにある。
この場合、各磁極の磁荷の大きさは同一であってもよい
し、異なっていてもよい。

【０００５】これによれば、非直線上に配置された少な
くとも各２個のＮ極とＳ極とにより磁場が形成されるの
で、同極同士を対向させた場合に比べて一の磁極から生
じる磁界が他の磁極から生じる磁界を弱め難く、これら
の磁極により形成される磁界ゼロ領域近傍の磁界の強さ
の勾配を大きくすることができる。この結果、磁気感応
素子に作用する磁界は、検出対象物の位置変化に対し大
きく変化するため、同検出対象物の位置、または変位量
（これら位置又は変位量に基づく物理量）を高い感度で
検出することが可能となる。

【０００６】この場合において、前記Ｎ極は正方形の対
角線上の角部に配設され、前記Ｓ極は同正方形の前記対
角線とは異なる対角線上の角部に配設され、同Ｎ極及び
同Ｓ極の磁荷の絶対値は互いに略等しくされてなること
が好適である。

【０００７】これによれば、４つの磁石を使用するのみ
で、上記センサを構成することができる。また、磁石が
２つ（一対）であっても、ヨークを設けることで、４つ
の磁石を用いた場合と同様の位置関係で磁極を配置し、
上記センサを構成することもできる。上記磁気センサ
は、磁極が正方形の４つの角部に配置されるので、形成
する磁場が安定したものとなる。

【０００８】上記の各場合において、前記磁気感応素子
は、前記ゼロ磁界の領域に配設してもよく、前記ゼロ磁
界の領域外に配設してもよい。特に、前記磁気感応素子
をゼロ磁界の領域外に配設した場合には、磁極により形
成（画定）される磁場内の広い範囲における前記検出対
象部の変位に対し、向きが同一で強さのみが変化する磁
界を同磁気感応素子に作用させることができる。これに
より、磁気感応素子が、強さが等しく向きが反対の磁界
に対して同一の物理量（例えば、抵抗値、電圧、電流値
等）を呈する素子であっても、前記検出対象物の位置を
前記広い範囲において検出することが可能となる。

【０００９】また、前記磁気感応素子は、強さが等しく
向きが反対の磁界に対して異なる物理量（例えば、抵抗
値、電圧、電流値等）を呈する素子であることが好適で
ある。

【００１０】これによれば、前記磁気感応素子に作用す
る磁界が検出対象物の位置により反対向きとなる場合、
同検出対象物と同磁気感応素子との距離のみでなく、同
検出対象物が磁気感応素子に対していずれの側にあるの
かを特定することが可能となる。

【００１１】これらのセンサは、弦楽器の弦を前記検出
対象物とするセンサとして使用することができ、また、
回転体と一体に回転するセンサロータに形成された歯を
前記検出対象物とすることで前記回転体の回転に関する
物理量（回転速度、回転角度、回転加速度等）を検出す
るセンサとして使用することができる。

【００１２】また、上記センサにおいて、前記検出対象
物がパーマロイ、フェライト、電磁軟鉄、又はケイ素鋼
等の軟磁性材料（磁気ヒステリシスの小さい材料）を含
んでなることが好適である。この場合、検出対象物が軟
磁性材料のみから構成されてもよく、軟磁性以外の材料
からなる物を軟磁性材料で被覆してなるものでもよい。
更に、検出対象物が、軟質磁性材料からなる物を磁気遮
蔽しない他の材料で被覆してなるものであってもよい。

【００１３】上記センサは、検出対象物が前記Ｎ極及び
前記Ｓ極により形成された磁場内を移動してその位置を
検出するものであるから、同検出対象物が残留磁化の大
きい（磁気ヒステリシスが大きい）材質からなると、同
残留磁化により前記磁場が乱されて、正確な位置検出が
困難となる。従って、上記のように、検出対象物に残留
磁化の小さい（磁気ヒステリシスの小さい）軟質磁性材
料を用いることにより、このような検出精度の低下を防
止することができる。

【００１４】また、上記センサにおいて、前記検出対象
物の形状が球状、板状、又は棒状のいずれかであること
が望ましい。

【００１５】このような形状であれば、検出対象物の変
位に対する上記磁場の変化が制御しやすいので、上記磁
気センサの出力の検出対象物の変位に対する線形性を良
好に維持することが可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるセンサの各実
施形態について、図面を参照しながら説明する。

【００１７】（第１実施形態）図１に斜視図を示した本
発明の第１実施形態に係るセンサ１０は、基体１１、永
久磁石１２〜１５、磁気感応素子を含む磁気センサ１６
とを備えている。

【００１８】基体１１は、パーマロイ等の高透磁率材料
からなり、センサ１０の正面図である図２、平面図であ
る図３、及び側面図である図４に示したように、互いに
直交するｘ軸及びｙ軸に沿う辺を有する正方形状をな
し、ｘ軸及びｙ軸に直交するｚ軸方向に厚みを有する薄
板体である。

【００１９】永久磁石１２〜１５の各々は、ｚ軸方向に
高さを有する同一の円柱形状をなしていて、その底面が
基体１１の上面内に収まるように同基体１１の上面の４
つの角部に固着されている。永久磁石１２，１４は、そ
の上面がＮ極となるように配設され、永久磁石１３，１
５はその上面がＳ極となるように配設されている。各磁
石の磁極の大きさは同一であり、永久磁石１２，１４の
なす磁極は正方形の対角線上の角部に配設され、永久磁
石１３，１５のなす磁極は同正方形の同対角線とは異な
る対角線上の角部に配設されている。

【００２０】磁気感応素子からなる磁気センサ１６は、
永久磁石１２〜１５の中心（重心、以下、中心点Ｏと云
う。）に配設されている。この位置は、永久磁石１２〜
１５の各磁極間を直線にて結んで形成される領域（即
ち、４つの磁極により画定される領域）内であって、後
述するように磁界ゼロの領域である。この磁気センサ１
６は、図５に等価回路を示したように、電子のスピンの
向きに依存した散乱を利用して巨大磁気抵抗効果を得る
一対の磁気抵抗素子（以下、スピンバルブ型ＧＭＲ素
子、又は、単にＧＭＲ素子と云う。）１６ａ，１６ｂを
含んでいる。ＧＭＲ素子１６ａ，１６ｂの各々は、磁化
の向きが固定された固着層と、磁化の向きが外部磁界に
応じて変化する自由層と、固着層及び自由層に挟まれた
導電性のスペーサ層とを有する周知のものであって、図
６に示したように固着層の磁化の向きと自由層の磁化の
向きのなす角θに応じて異なる抵抗値Ｒを呈するように
なっている。このＧＭＲ素子１６ａ，１６ｂは、図７に
示したように、基板Ｓの上面に所定のパターン形状を有
する薄膜として形成され、外部磁界が加わらない状態に
おいて互いに同一の抵抗値を呈するようになっている。

【００２１】ＧＭＲ素子１６ａ，１６ｂの固着層の磁化
の向きは、図５及び図７に矢印にて示したように、それ
ぞれｘ軸負方向及びｘ軸正方向とされていて、互いに逆
向きとなっている。ＧＭＲ素子１６ａ，１６ｂの自由層
の磁化の向きは、外部磁界が加わっていない状態におい
て、ｙ軸負方向であって、前記固着層の磁化の向きと直
交する向きとなっている。

【００２２】また、磁気センサ１６は、第１〜第３の３
つの端子１６ｃ〜１６ｅを有している。図５に示したよ
うに、定電圧源１８の正極が接続される第１端子１６ｃ
はＧＭＲ素子１６ａの一端と接続されている。第２端子
１６ｄは、ＧＭＲ素子１６ａの他端とＧＭＲ素子１６ｂ
の一端とに接続されている。前記定電圧源２１の負極と
接続される第３端子１６ｅはＧＭＲ素子１６ｂの他端と
接続されている。これにより、所謂ハーフブリッヂ回路
が構成され、第２端子１６ｄと第３端子１６ｅの電位差
が、磁気センサ１６の出力として取出されるようになっ
ている。

【００２３】上記のように構成されたセンサ１０は、磁
性体又は導体等の磁場に影響を与え得る材質からなる検
出対象物２０の近傍に配置される。本例においては、検
出対象物２０は、永久磁石１２と永久磁石１５（永久磁
石１３と永久磁石１４）の中央を通り、ｘ軸方向に伸び
る線上であって、磁気センサ１６のｚ軸方向上側に配置
され（以下、この位置を初期位置と云う。）、ｘ軸に略
平行な状態を維持しながらｙ軸方向に振動するものであ
る。

【００２４】次に、上記のように構成されたセンサ１０
の作動について説明する。図８（Ａ）は、検出対象物２
０が上記初期位置にある場合の磁場の様子を磁力線を用
いて示したものである。同図から明らかなように、永久
磁石１２〜１５の中心（中心点Ｏ）、即ち、磁気センサ
１６が配設されている部分は、永久磁石１２，１４から
永久磁石１３，１５に向う磁力線同士が打ち消し合って
ゼロ磁界の領域となる。従って、磁気センサ１６のＧＭ
Ｒ素子１６ａ，１６ｂの各自由層の磁化の向きは、ｙ軸
負方向を向き、固着層の磁化の向きと自由層の磁化の向
きのなす角θは９０°となる。この結果、ＧＭＲ素子１
６ａ，１６ｂの呈する抵抗値Ｒａ，Ｒｂは共に値Ｒ0と
等しくなり、磁気センサ１６の出力電圧Ｖoutは、入力
電圧Ｖinの１／２の値Ｖ０（＝Ｖin／２）となる。

【００２５】この初期状態から、図８（Ｂ）に示したよ
うに、検出対象物２０がｙ軸正方向に変位すると、永久
磁石１４から永久磁石１５に向う磁束が同検出対象物２
０の内部を通過し、これらの永久磁石１４，１５により
中心点Ｏの付近に形成されるｘ軸負方向の磁界の強さが
低下するため、永久磁石１２から永久磁石１３に向う磁
束が中心点Ｏを通るようになる。これにより、磁気セン
サ１６にはｘ軸正方向に向う磁界が作用し、ＧＭＲ素子
１６ａ，１６ｂの各自由層の磁化の向きは、ｘ軸正方向
の成分を有する向きとなる。従って、ＧＭＲ素子１６ａ
の固着層の磁化の向きと自由層の磁化の向きのなす角θ
は９０〜１８０°の間の所定の角度となり、ＧＭＲ素子
１６ｂの固着層の磁化の向きと自由層の磁化の向きのな
す角θは０〜９０°の間の所定の角度となる。この結
果、ＧＭＲ素子１６ａ，１６ｂの呈する抵抗値Ｒａ，Ｒ
ｂは、それぞれＲ0＋Δｒ、Ｒ0−Δｒ（図６参照）とな
り、磁気センサ１６の出力電圧Ｖoutは、入力電圧の１
／２（＝Ｖin／２）より小さい所定の値Ｖ１となる。

【００２６】この状態から、図８（Ｃ）に示したよう
に、検出対象物２０がｙ軸正方向に更に変位すると、永
久磁石１４，１５により中心点Ｏ付近に形成されるｘ軸
負方向の磁界の強さが一層低下し、中心点Ｏ付近におい
ては永久磁石１２，１３によるｘ軸正方向に向う磁界の
強さが増大する。これにより、ＧＭＲ素子１６ａ，１６
ｂの各自由層の磁化の向きはｘ軸正方向に略等しくな
り、ＧＭＲ素子１６ａの固着層の磁化の向きと自由層の
磁化の向きのなす角θは約１８０°、ＧＭＲ素子１６ｂ
の固着層の磁化の向きと自由層の磁化の向きのなす角θ
は約０°となる。この結果、ＧＭＲ素子１６ａ，１６ｂ
の呈する抵抗値Ｒａ，Ｒｂは、それぞれＲ0＋ΔＲ、Ｒ0
−ΔＲ（図６参照）となり、磁気センサ１６の出力電圧
Ｖoutは、前記所定の値Ｖ１より更に小さい値Ｖ２とな
る。

【００２７】一方、前記初期状態から、図８（Ｄ）に示
したように、検出対象物２０がｙ軸負方向に変位する
と、永久磁石１２から永久磁石１３に向う磁束が同検出
対象物２０の内部を通過し、これらの永久磁石１２，１
３により中心点Ｏの付近に形成されるｘ軸正方向の磁界
の強さが低下するため、永久磁石１４から永久磁石１５
に向う磁束が中心点Ｏを通るようになる。これにより、
磁気センサ１６にはｘ軸負方向に向う磁界が作用し、Ｇ
ＭＲ素子１６ａ，１６ｂの各自由層の磁化の向きはｘ軸
負方向の成分を有する向きとなり、ＧＭＲ素子１６ａの
固着層の磁化の向きと自由層の磁化の向きのなす角θは
０〜９０°の間の所定の角度、ＧＭＲ素子１６ｂの固着
層の磁化の向きと自由層の磁化の向きのなす角θは９０
°〜１８０°の間の所定の角度となる。この結果、ＧＭ
Ｒ素子１６ａ，１６ｂの呈する抵抗値Ｒａ，Ｒｂは、そ
れぞれＲ0−Δｒ、Ｒ0＋Δｒ（図６参照）となり、磁気
センサ１６の出力電圧Ｖoutは、入力電圧の１／２（＝
Ｖin／２）より大きい所定の値Ｖ３となる。

【００２８】この状態から、図８（Ｅ）に示したよう
に、検出対象物２０がｙ軸負方向に更に変位すると、永
久磁石１２，１３により中心点Ｏ付近に形成されるｘ軸
正方向の磁界の強さが一層低下し、中心点Ｏ付近におい
ては永久磁石１４，１５によりｘ軸負方向に向う磁界の
強さが増大する。これにより、ＧＭＲ素子１６ａ，１６
ｂの各自由層の磁化の向きは、ｘ軸負方向に略等しくな
り、ＧＭＲ素子１６ａの固着層の磁化の向きと自由層の
磁化の向きのなす角θは約０°、ＧＭＲ素子１６ｂの固
着層の磁化の向きと自由層の磁化の向きのなす角θは約
１８０°となる。この結果、ＧＭＲ素子１６ａ，１６ｂ
の呈する抵抗値Ｒａ，Ｒｂは、それぞれＲ0−ΔＲ、Ｒ0
＋ΔＲ（図６参照）となり、磁気センサ１６の出力電圧
Ｖoutは、前記所定の値Ｖ３より更に大きい値Ｖ４とな
る。以上から理解されるように、検出対象物２０がｙ軸
負方向に変位するほど磁気センサ１６の出力電圧Ｖout
は大きくなる（Ｖ２＜Ｖ１＜Ｖ０＜Ｖ３＜Ｖ４）。

【００２９】以上、説明したように、本実施形態のセン
サ１０によれば、非直線上（この例においては、正方形
の４つの角部）に配置した２つのＮ極と２つのＳ極とに
より所謂４重極を形成しているので、同極同士を対向さ
せた場合に比べて、ゼロ磁界（中心点Ｏ）近傍の磁界の
大きさ（強さ）の勾配を大きくとることができ、その結
果、検出対象物２０の位置を精度良く（高感度にて）検
出することができる。換言すると、本実施形態によれ
ば、永久磁石１２〜１５の間の距離を小さくするほど感
度が良好になるので、コンパクトな位置センサを得るこ
とができる。また、本実施形態のセンサ１０は、検出対
象物２０と磁気センサ１６との距離（検出対象物の変位
量）のみでなく、検出対象物２０が前記初期位置からｙ
軸方向のどちら側に変位したかを検出することができる
という利点を有している。更に、基体１１は高透磁率材
料からなっているため、永久磁石１２〜１５の形成する
磁束の漏れが少なくなり、検出面（基体１１のｚ軸正方
向におけるｘ−ｙ平面）における磁界の強さの傾きを大
きくすることができる。

【００３０】（変形例）次に、図９（Ａ）に平面図、図
９（Ｂ）に正面図、及び図９（Ｃ）に側面図を示した第
１実施形態の変形例について説明する。この変形例に係
るセンサ１０−１は、磁気センサ１６−１が永久磁石１
２〜１５の中心点Ｏからｙ軸正方向に変位した点Ｐに配
設されている点、及び同磁気センサ１６−１を構成する
素子が加わる磁界の強さのみに応じて（磁界の向きとは
無関係に）抵抗値が変化する単一の素子（ＭＲ素子等）
とされている点のみにおいて第１実施形態に係るセンサ
１０と異なっている。点Ｐは、永久磁石１４の平面視に
おける中心と永久磁石１５の平面視における中心とを結
んだ直線よりもｙ軸負方向側に位置している。

【００３１】次に、上記変形例の作用について説明する
と、図８（Ａ）〜（Ｅ）から明らかなように、点Ｐに
は、ｘ軸負方向の向きを有するとともに、検出対象物２
０が同点Ｐの直上位置からｙ軸負方向に移動するに伴な
って強さが増大する磁界が作用する。このため、磁気セ
ンサ１６−１は、検出対象物２０が移動するにつれて抵
抗値が変化し、これに応じた出力を発生する。

【００３２】このように、上記変形例のセンサ１０−１
は、永久磁石１２〜１５が作る磁場中におけるゼロ磁界
の領域（中心点Ｏ）から変位した位置（点Ｐ）に磁気セ
ンサ１６−１を配置することで、検出対象物２０のｙ軸
方向の位置を検出することができる。ここで、注目すべ
き点は、強さが同一で向きが異なる磁界に対し同一の出
力を発生する磁気感応素子を用いた磁気センサ１６−１
を利用しても、検出対象物２０の位置を検出することが
できる点である。

【００３３】（第２実施形態）図１０に正面図、図１１
に平面図、図１２に側面図を示した本発明の第２実施形
態に係るセンサ３０は、基体３１、ヨーク３２〜３５、
永久磁石３６，３７、及び磁気センサ３８を有してい
る。

【００３４】基体３１は、互いに直交するｘ軸及びｙ軸
に沿う辺を有する正方形状をなし、ｘ軸及びｙ軸に直交
するｚ軸方向に厚みを有する薄板体である。基体３１
は、第１実施形態の基体１１とは異なり、非磁性材料で
形成されている。

【００３５】ヨーク３２〜３５の各々は、軟質磁性体か
らなり、ｚ軸方向に高さを有する同一の円柱形状をなし
ていて、その底面が基体３１の上面内に収まるように同
基体３１の上面の４つの角部に固着されている。

【００３６】永久磁石３６は、略四角柱形状であってヨ
ーク３２，３３の間に配置され、基体３１の上面に固定
されている。この永久磁石３６は、ヨーク３２及びヨー
ク３３と磁気的に結合され、これにより同ヨーク３２及
び同ヨーク３３の上面にＮ極及びＳ極がそれぞれ出現す
るようになっている。これらＮ極，Ｓ極は第１実施形態
と同様に正方形の角部に位置している。

【００３７】同様に、永久磁石３７は、略四角柱形状で
あってヨーク３４，３５の間に配置され、基体３１の上
面に固定されている。この永久磁石３７は、ヨーク３４
及びヨーク３５と磁気的に結合され、これにより同ヨー
ク３４及び同ヨーク３５の上面にＮ極及びＳ極がそれぞ
れ出現するようになっている。これらの出現した２つの
Ｎ極と２つのＳ極は、正方形の各角部に位置している。

【００３８】ヨーク３２〜３５は、軟質磁性の磁性体か
らなるポールピース３２ａ〜３５ａをそれぞれ上部に備
えている。ポールピース３２ａ〜３５ａは、略円盤形状
を有する上部と、同上部から下方に伸びる支柱部とをそ
れぞれ備えている。各支柱部の外周にはネジが形成さ
れ、同ネジはヨーク３２〜３５の内周に形成された図示
しないネジと螺合している。これにより、ポールピース
３２ａ〜３５ａは、基体３１に対する高さが変更され得
るようになっている。

【００３９】磁気センサ３８は、第１実施形態の磁気セ
ンサ１６と同一である。検出対象物２０とセンサ３０と
の位置関係も、第１実施形態における検出対象物２０と
センサ１０との位置関係と同一である。

【００４０】このように構成された第２実施形態に係る
センサ３０は、第１実施形態に係るセンサ１０と同様に
作用し、検出対象物２０の位置に応じた出力を発生す
る。このセンサ３０は、永久磁石を２個だけ必要とする
ので安価に製造され得る。また、ポールピース３２ａ〜
３５ａの高さを調節することで、感度の調整を行うこと
ができるという利点も有している。

【００４１】（磁気センサの変形例）上記第１実施形態
における磁気センサ１６は、図５に示したように、一対
のＧＭＲ素子１６ａ，１６ｂによりハーフブリッヂ回路
を構成したものであったが、単一のＧＭＲ素子のみによ
り構成してもよい。また、磁気センサ１６は、図１３に
示したように、４つのＧＭＲ素子１７ａ〜１７ｄにより
フルブリッヂ回路を作り、図示した出力Ｖoutを取出す
ように構成した磁気センサ１７に置き換えることもでき
る。この場合、各ＧＭＲ素子１７ａ〜１７ｄの各固着層
の磁化の向きは、図１３中に矢印にて示したとおりであ
る。

【００４２】また、磁気センサ１６に換え、図１４に示
したように、ＧＭＲ素子１６ａ，１６ｂの何れか一方を
磁気遮蔽したハーフブリッヂ回路からなる磁気センサ１
６−２（図１４の例では、ＧＭＲ素子１６ａが磁気遮蔽
されている。）を採用することもできる。更に、図１５
に示したように、上記磁気センサ１７を構成するＧＭＲ
素子１７ｂ，１７ｃを磁気遮蔽した磁気センサ１７−１
を磁気センサ１６に換えて採用することもできる。ま
た、これに代え、ＧＭＲ素子１７ａ，１７ｄを磁気遮蔽
してもよい。これらの、ハーフブリッヂ回路又はフルブ
リッヂ回路を構成した磁気センサ１６，１６−２，１
７，１７−１は、単一のＧＭＲ素子のみを使用した場合
に比較して、大きな出力が得られるとともに、同出力の
温度特性が優れたもの（温度変化に対して出力が変化し
難いもの）となる。なお、ＧＭＲ素子１６ａ，１６ｂ
は、同一基板Ｓ上に形成されたものであったが、同ＧＭ
Ｒ素子１６ａ，１６ｂを別個の基板上に、且つ各基板内
において固着層の磁化の向きが同一となるように形成
し、これらを磁気センサ１６のように配置してもよい。
他の磁気センサ１６−２，１７，１７−１についても、
同様に、個別の基板上にＧＭＲ素子を各々形成し、これ
らを上述のように配置して構成してもよい。更に、一つ
の基板内の固着層の磁化の向きを一定として形成した２
以上のＧＭＲ素子を、その固着層の磁化の向きが対向す
るように配置させて一つの磁気センサを構成し、これら
の素子の出力を合成等して取出すようにしてもよい。

【００４３】（第１適用例）次に、本発明によるセンサ
の第１適用例について説明する。第１適用例は、上記セ
ンサ１０を電気弦楽器（エレクトリックギター）のピッ
クアップ装置として使用したものである。

【００４４】より具体的に述べると、図１６に示したよ
うに、電気弦楽器４０は、木製ソリッド状のボディ４１
と、同ボディ４１に固着されたネック４２とを備えてい
る。このネック４２の端部にはヘッド４３が一体的に設
けられるとともに、前記ボディ４１上にはブリッヂ４４
が固定され、前記ヘッド４３と前記ブリッヂ４４との間
には、図示しない６本のスティール製の弦が張られてい
る。

【００４５】この電気弦楽器４０は、互いに同一構成の
弦振動検出装置４５，４６を備えている。この弦振動検
出装置４５，４６は、図１７に示したように、上記第１
実施形態のセンサ１０が６個、互いに同一の向きをもっ
てｙ軸方向に並列的に接合されたものである。また、弦
振動検出装置４５，４６は、非演奏状態における弦ST１
〜ST６の各々が各センサ１０の前記中心点Ｏの直上に位
置するように前記ボディ４１の上面に固定されている。

【００４６】上記構成により、弦振動検出装置４５，４
６は、弦ST１〜ST６の位置を検出し、これにより同弦ST
１〜ST６に生じる機械的振動を電気的な出力信号に変換
する。弦振動検出装置４５，４６は、センサ１０を採用
しているため小型且つ高感度であり、演奏の障害となり
難く、且つ弦振動を忠実に検出し得るため、特に振幅の
大きな基音の検出に優れるという利点を有している。

【００４７】（第２適用例）次に、本発明によるセンサ
の第２適用例について説明する。第２適用例は、上記セ
ンサ１０を回転体の回転速度検出装置として使用したも
のである。

【００４８】より具体的に述べると、図１８に示したよ
うに、この回転速度検出装置５０は、回転体（車輪、モ
ータ等）と共に回転中心Ｑの回りを回転するセンサロー
タ５１と、上記センサ１０とからなっている。センサロ
ータ５１は、磁性体又は導体からなり、外周部に図１８
の紙面に垂直方向（ｘ軸方向）に伸びる複数の歯５１ａ
を周方向に等間隔に備えている。センサ１０は、基体１
１の平面がｘ−ｙ平面上となるように配設される。これ
により、歯５１ａは、センサロータ５１の回転に伴なっ
て、上記検出対象物２０と同様にセンサ１０の形成して
いる磁場を変化させるようになっている。

【００４９】上記構成により、回転速度検出装置５０
は、センサ１０の出力に基づいてセンサロータ５１の位
置を検出し、これにより所定時間内においてセンサ１０
上部を通過した歯５１ａの数を測定し、以って回転体の
回転速度を検出する。かかる回転速度検出装置５０は、
センサ１０を採用しているため小型且つ高感度であり、
またセンサロータ５１の回転方向を検出することができ
るという利点を有している。

【００５０】（第３実施形態）次に本発明によるセンサ
の第３実施形態について、図１９及び図２０を参照しな
がら説明する。図１９は、このセンサ６０の斜視図、図
２０（Ａ）は正面図、図２０（Ｂ）は平面図、及び図２
０（Ｃ）は側面図であり、これらの図に示したように、
センサ６０は第１実施形態における検出対象物２０を検
出対象物２１とした点を除き同第１実施形態と同一構造
を有している。従って、以下においては、係る相違点に
ついて説明する。

【００５１】検出対象物２１は、非磁性材料からなる棒
状の支持部２１ａと同支持部２１ａの先端に固定された
被検出部２１ｂとを備えている。被検出部２１ｂは、軟
質磁性材料のパーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）からなる球
状体であり、各磁石１２〜１５の上面のなす面から所定
の距離だけｚ軸方向に離れたｘ−ｙ平面に平行な面内で
あってｙ軸に略平行な方向内で移動するようになってい
る。

【００５２】このように構成されたセンサ６０において
は、被検出部２１ｂの移動に伴なって永久磁石１２〜１
５の形成する磁界（以下、「四重極磁界」という。）が
変化し、磁気センサ１６の配設位置における磁界が第１
実施形態と同様に変化する。この場合、被検出部２１ｂ
は、軟質磁性材料からなるため、四重極磁界中を移動し
ても残留磁化（磁気ヒステリシス）が小さく、従って、
同被検出部２１ｂの残留磁化が同四重極磁界に影響を及
ぼすことがない。この結果、被検出部２１ｂの同一変位
に対する磁気センサ１６の出力が常に略同一の値とな
り、センサ６０は検出対象物２１の位置をより精度良く
検出することができる。

【００５３】また、被検出部２１ｂは、その形状が球状
体であるので、磁界に対して等方性を有している。従っ
て、被検出部２１ｂの変位に対する四重極磁界の変化が
線形的（直線的）となるので、センサ６０の出力も検出
対象物２１の変位に対して線形となって、センサ６０は
変位センサとして利用し易いものとなる。

【００５４】図２１は、被検出部２１ｂの変位に対する
上記センサ６０の出力を実際に測定した結果を示してい
る。なお、図２１の横軸は磁石１２〜１５の重心（中
心）位置からのｙ軸方向の変位であり、縦軸は図５に示
した入力電圧Ｖinを５（Ｖ）としたときの出力電圧Ｖou
tである。この図２１から明らかなように、上記センサ
６０の出力電圧Ｖoutは変位に対して直線的に変化し、
その線形性が良好なことが確認された。

【００５５】（第４実施形態）次に本発明によるセンサ
の第４実施形態について、図２２を参照しながら説明す
る。図２２（Ａ）は、このセンサ７０の正面図、図２２
（Ｂ）は平面図、及び図２２（Ｃ）は側面図であり、こ
れらの図に示したように、第４実施形態は第３実施形態
における検出対象物２１を検出対象物２２に置き換えた
ものである。

【００５６】検出対象物２２は、軟質磁性材料のパーマ
ロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）からなり、ｚ−ｙ平面に平行な
平面部を有する板状体である。この検出対象物２２は、
各磁石１２〜１５の上面とｚ軸方向に所定の距離を維持
しながらｙ軸に略平行な方向内で同一姿勢を維持しつつ
移動するようになっている。

【００５７】この第４実施形態においても、検出対象物
２２の移動に伴なって四重極磁界が変化し、磁気センサ
１６の配設位置における磁界は第１実施形態と同様に変
化する。また、検出対称物２２は、第３実施形態と同様
に軟質磁性材料からなるため、四重極磁界中を移動して
も残留磁化が小さく、従って、同検出対象物２２の残留
磁化が同四重極磁界に影響を及ぼすことがない。この結
果、検出対象物２２の同一変位に対する磁気センサ１６
の出力が常に略同一の値となり、センサ７０は検出対象
物２２の位置をより精度良く検出することができる。

【００５８】また、検出対象物２２は、その形状が板状
体であるので、その長手方向の磁界に対して等方性を有
している。従って、検出対象物２２の変位に対する四重
極磁界の変化が線形的となるので、センサ６０の出力も
検出対象物２２の変位に対して線形となる。これによ
り、センサ６０は変位センサとして利用し易いものとな
る。なお、検出対象物２２の長手方向（ｘ軸方向）の長
さは、磁極間距離（例えば、永久磁石１２の中心と永久
磁石１３の中心との距離）と同程度以上あることが望ま
しい。これは、検出対象物２２の端部（特に、角部）に
磁束が集中しやすいことから、検出対象物２２の長手方
向の長さが磁極間距離に対して短いと、四重極磁界に不
規則な変化をもたらして同四重極磁界の線形性が損なわ
れるからである。

【００５９】（第５実施形態）次に本発明によるセンサ
の第５実施形態について、図２３を参照しながら説明す
る。図２３（Ａ）は、このセンサ８０の正面図、図２３
（Ｂ）は平面図、及び図２３（Ｃ）は側面図であり、こ
れらの図に示したように、第５実施形態は第３実施形態
における検出対象物２１を検出対象物２３に置換えたも
のである。

【００６０】検出対象物２３は、軟質磁性材料のパーマ
ロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）からなり、円柱形状を有する棒
状体である。この検出対象物２３は、各磁石１２〜１５
の上面とｚ軸方向に所定の距離を維持しながらｙ軸に略
平行な方向内で移動するようになっている。

【００６１】この第５実施形態においても、検出対象物
２３の移動に伴なって四重極磁界が変化し、磁気センサ
１６の配設位置における磁界は第１実施形態と同様に変
化する。また、検出対称物２３は、第３実施形態と同様
に軟質磁性材料からなるため、四重極磁界中を移動して
も残留磁化が小さく、従って、同検出対象物２３の残留
磁化が同四重極磁界に影響を及ぼすことがない。この結
果、検出対象物２２の同一変位に対する磁気センサ１６
の出力が常に略同一の値となり、センサ７０は検出対象
物２３の位置をより精度良く検出することができる。

【００６２】また、検出対象物２３は、その形状が棒状
体であるので、その長手方向の磁界に対して等方性を有
している。従って、検出対象物２３の変位に対する四重
極磁界の変化が線形的となるので、センサ８０の出力も
検出対象物２３の変位に対して線形となる。これによ
り、センサ８０は変位センサとして利用し易いものとな
る。なお、検出対象物２３の長手方向の長さは、第４実
施形態と同様の理由から、磁極間距離と同程度以上ある
ことが望ましい。

【００６３】（他の適用例）次に、本発明によるセンサ
を電子鍵盤楽器に適用した例について、図２４及び図２
５を参照しながら説明する。図２４に示された電子鍵盤
楽器は、並列した鍵（白鍵及び黒鍵）Ｋの操作により基
板Ｂ上のキーボードスイッチＳｋが作動して発音をなす
ものであり、さらに音色変化のためのパネルスイッチＳ
ｐ、音量設定のための音量コントローラＣｄ、ピッチベ
ンドやモジュレーションデプスのためのホイールＷ、及
び本発明によるセンサ９０を備えている。センサ９０は
電子鍵盤楽器の本体の左側壁近傍に固定されていて、そ
の磁気センサ１６の出力線は図示しない楽音制御部に接
続されている。

【００６４】鍵Ｋは、押圧されることにより鍵後方（演
奏者から遠い側）の所定の箇所を中心に回動し、ストッ
パＴに当接して回動を停止するようになっている。この
回動に伴って上記キーボードスイッチＳｋが押動され、
開状態から閉状態へと変化し、これにより発音がなされ
るようになっている。

【００６５】鍵Ｋの各々は、前側下方へ延びた延在部Ｅ
を有している。各鍵Ｋの延在部Ｅの下方には電子鍵盤楽
器の幅方向に渡り（鍵の並列方向に）張設部材９１が延
設されている。この張設部材９１は、非磁性材料からな
るひも、ワイヤー、テープ等であって容易に伸張するこ
とがない線状体であり、その一端は電子鍵盤楽器の本体
右側壁に設けられた固定部９２に固定され、その他端は
センサ９０の検出対象物２４の端部にストッパ９３よっ
て固定されている。

【００６６】センサ９０は、図２５に拡大して示したよ
うに、検出対象物２２が検出対象物２４に置換えられた
点を除き、上記第４実施形態のセンサ７０と同一構造を
有していて、正方形の各角部に配設された永久磁石１２
〜１５と上記磁気センサ１６とを備えている。上記検出
対象物２４は、検出対象物２２と同様に、パーマロイ等
の軟質磁性材料からなる弾性を有する板状体であって、
図２４に示したように、前記ストッパ９３により張設部
材９１を固定した箇所と反対側の端部が電子鍵盤楽器の
本体に設けられた固定部９４に固定され、同固定された
箇所を基点として永久磁石１２〜１５の上面がなす平面
からｚ軸方向に所定の距離を維持しながら揺動するよう
になっている。

【００６７】次に、このように構成された電子鍵盤楽器
の作動について説明すると、演奏者により鍵Ｋが押し下
げられると、キーボードスイッチＳｋが開状態から閉状
態へと変更されるとともに、各鍵の延在部Ｅが張設部材
９１を撓ませ、これにより検出対象物２４が弾性変形し
て変位する。センサ９０は、この検出対象物２４の変位
を上記各実施形態のセンサと同様に検出する。そして、
センサ９０の出力は楽音制御部に伝達され、押鍵圧に応
じた音量、音色、その他の装飾的楽音が発せられる。鍵
Ｋが解放されると、張設部材９１は復元し、検出対象物
２４の変位はゼロになる。

【００６８】以上のように、本適用例においては、電子
鍵盤楽器の鍵Ｋが発音のための操作子として機能するだ
けでなく、発音時又は発音開始後に楽音の音量や音色等
を制御するための操作子として使用され得る。なお、上
記適用例においては、張設部材９１は鍵Ｋにより下方に
のみ撓まされいたが、同張設部材９１を他の方向に撓ま
せるように操作子を配設すれば、種々の方向の変位をセ
ンサ９０の出力として得ることができる。

【００６９】以上、説明したように、本発明による各実
施形態のセンサは、小型且つ高感度であって、検出対象
物の位置を精度良く検出し得るものとなっている。ま
た、上記各実施形態においては、磁気センサ１６，３８
等を配設した位置における磁界が、検出対象物２０の変
位方向と略直交する向きに変化するように、センサ１
０，３０と同検出対象物２０との位置関係を定めている
ので、センサ１０，３０の感度を高めることができる。

【００７０】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではなく、本発明の範囲内において種々の変形例
を含む。例えば、上記実施形態の磁気感応素子は、ＧＭ
Ｒ素子、ホール素子、ＭＲ素子の他、磁気トンネル効果
を利用したＴＭＲ素子、ＭＩ（Magnetic Impedance）セ
ンサ、又はピックアップコイルとしてもよい。また、各
実施形態において、他の永久磁石（バイアス磁石）を適
宜箇所に配置することで、ゼロ磁界位置を中心点Ｏから
積極的に変位させてもよい。

【００７１】更に、上記各実施形態においては、２個の
Ｎ極と、２個のＳ極とによりゼロ磁界領域を含む磁界
（４重極による磁場）を形成していたが、例えば、３個
のＮ極と３個のＳ極とにより同様な磁場（即ち、所謂６
重極による磁場）を形成してもよい。なお、４重、６重
極等のように、本発明においては、平面視で時計回り
（又は反時計回り）に隣接する磁極の極性が互いに異な
るように配設されることが望ましい。また、このように
４個より多くの磁極を適当な位置に配置することによっ
て、ゼロ磁界を異なる位置に複数存在させることもで
き、この場合、センサ（磁気感応素子）を各ゼロ磁界位
置に適宜配置し得ることによる利点（例えば、上記４重
極センサを複数個配置したのと同等な検出機能が得られ
るという利点）がある。また、４個より多くの磁極を適
当に配置することにより、検出対象物の３次元的な位置
（変位）を検出することも可能となる。なお、上記各実
施形態においては、永久磁石により磁場を形成していた
が、電磁石により磁場を形成するように構成してもよ
い。

【００７２】また、上記第１適用例では、本発明による
センサをエレクトリックギターに適用したが、バイオリ
ン、チェロ、ベース、マンドリン、ピアノ等の他の弦を
使用する楽器（弦楽器）の弦振動検出装置として使用す
ることもできる。更に、上記第２適用例では、本発明に
よるセンサを回転体の回転速度検出装置として使用した
が、回転体の回転角度検出装置、又は回転角加速度検出
装置として用いることもできる。また、本発明によるセ
ンサを検出対象物の位置、速度、加速度等の物理量の検
出のために用いることもできる。

【００７３】更に、第３実施形態〜第５実施形態におい
ては、検出対象物にパーマロイが使用されていたが、フ
ェライト、電磁軟鉄、又はケイ素鋼等の他の軟磁性材料
（磁気ヒステリシスの小さい材料）を使用してもよい。
また、第３実施形態〜第５実施形態においては、検出対
象物が軟質磁性材料のみから構成されていたが、軟質磁
性以外の材料からなる物（例えば、球状体、板状体、棒
状体）を軟磁性材料で被覆したものであてもよく、更
に、軟質磁性材料からなる物（例えば、球状体、板状
体、棒状体）を磁気遮蔽しない他の材料で被覆したもの
であってもよい。

【００７４】また、本発明によるセンサによって、片持
ち支持された板状物、または、糸等で支持された球状物
などの位置、変位を検出してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施形態に係るセンサの斜
視図である。

【図２】図１に示したセンサの正面図である。

【図３】図１に示したセンサの平面図である。

【図４】図１に示したセンサの側面図である。

【図５】図１に示したセンサの等価回路図である。

【図６】図５に示した磁気感応素子（ＧＭＲ素子）の
特性図である。

【図７】図１に示した磁気センサの平面図である。

【図８】図１に示したセンサの作動を説明するため、
検出対象物の位置を変化させた際の磁場の様子を磁力線
により示した図である。

【図９】本発明による第１実施形態の変形例に係るセ
ンサを示す図であって、図９（Ａ）は同センサの平面
図、図９（Ｂ）は同センサの正面図、図９（Ｃ）は同セ
ンサの側面図である。

【図１０】本発明による第２実施形態のセンサの正面
図である。

【図１１】図１０に示したセンサの平面図である。

【図１２】図１０に示したセンサの側面図である。

【図１３】図１に示した磁気センサの変形例の等価回
路図である。

【図１４】図１に示した磁気センサの他の変形例の等
価回路図である。

【図１５】図１に示した磁気センサの他の変形例の等
価回路図である。

【図１６】本発明によるセンサが適用された電気弦楽
器を示す図であり、図１６（Ａ）は同電気弦楽器の正面
図、図１６（Ｂ）は同電気弦楽器の側面図である。

【図１７】図１６に示した弦振動検出装置の斜視図で
ある。

【図１８】本発明によるセンサが適用された回転検出
装置の正面図である。

【図１９】本発明による第３実施形態のセンサの斜視
図である。

【図２０】（Ａ）は図１９に示したセンサの正面図、
（Ｂ）は同センサの平面図、（Ｃ）は同センサの側面図
である。

【図２１】図１９に示したセンサの変位に対する出力
の測定結果を示すグラフである。

【図２２】（Ａ）は本発明による第４実施形態のセン
サの正面図、（Ｂ）は同センサの平面図、（Ｃ）は同セ
ンサの側面図である。

【図２３】（Ａ）は本発明による第５実施形態のセン
サの正面図、（Ｂ）は同センサの平面図、（Ｃ）は同セ
ンサの側面図である。

【図２４】本発明によるセンサを適用した電子鍵盤楽
器の概略斜視図である。

【図２５】図２４に示したセンサの拡大斜視図であ
る。

【符号の説明】

１０，６０，７０，８０，９０…センサ、１１…基体、
１２〜１５…永久磁石、１６…磁気センサ、１６ａ，１
６ｂ…ＧＭＲ素子、２０〜２３…検出対象物、３０…セ
ンサ、３１…基体、３２〜３５…ヨーク、３２ａ〜３５
ａ…ポールピース、３６，３７…永久磁石、３８…磁気
センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 43/06 Ｈ０１Ｌ 43/06 Ｚ // Ｇ０１Ｐ 3/488 Ｇ０１Ｐ 3/488 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２つ以上のＮ極と少なくとも２
つ以上のＳ極とを非直線上に配設し、前記Ｎ極及び前記
Ｓ極によりゼロ磁界の領域を含む磁場を形成するととも
に同Ｎ極及び同Ｓ極とによって画定される領域内に磁気
感応素子を配設し、前記磁気感応素子により前記磁場を
変化させる検出対象物の位置に応じた値を出力するセン
サ。
【請求項２】請求項１に記載のセンサにおいて、前記Ｎ
極は正方形の対角線上の角部に配設され、前記Ｓ極は同
正方形の前記対角線とは異なる対角線上の角部に配設さ
れ、前記Ｎ極及び前記Ｓ極の磁荷の絶対値は互いに略等
しくされてなるセンサ。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載のセンサにお
いて、前記磁気感応素子は、前記ゼロ磁界の領域に配設されて
なるセンサ。
【請求項４】請求項１又は請求項２に記載のセンサにお
いて、前記磁気感応素子は、前記ゼロ磁界の領域外に配設され
てなるセンサ。
【請求項５】請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載
のセンサにおいて、前記磁気感応素子は、強さが等しく向きが反対の磁界に
対して異なる物理量を呈する素子であることを特徴とす
るセンサ。
【請求項６】請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載
のセンサにおいて、弦楽器の弦を前記検出対象物とした弦楽器用のセンサ。
【請求項７】請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載
のセンサにおいて、回転体と一体に回転するセンサロータに形成された歯を
前記検出対象物とし、前記回転体の回転に関する物理量
を検出するセンサ。
【請求項８】請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載
のセンサにおいて、前記検出対象物が軟磁性材料を含んでなるセンサ。
【請求項９】請求項９に記載のセンサにおいて、前記検出対象物の形状が球状、板状、又は棒状のいずれ
かであるセンサ。