JP2005257477A

JP2005257477A - Magnetometric sensor

Info

Publication number: JP2005257477A
Application number: JP2004069736A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Ueno; 敏幸上野; Toshiro Higuchi; 俊郎樋口
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve handleability of a magnetometric sensor for detecting the position of an object or its displacement. <P>SOLUTION: This magnetometric sensor 100 is equipped with a magnetostrictive material 1, piezoelectric materials 2a, 2b bonded to the magnetostrictive material 1, and a permanent magnet 3. When installing the magnetometric sensor 100 near a detection object 11, a magnetic flux loop passing the magnetostrictive material 1 and a magnetic flux loop passing the detection object 11 are formed. When the gap length between the magnetometric sensor 100 and the detection object 11 is changed, a flow of the magnetic flux is changed, and the electric field intensity applied to the magnetostrictive material 1 is changed. Since the magnetostrictive material 1 is distorted corresponding to the intensity of an applied magnetic field, the piezoelectric materials 2a, 2b are deformed in accompany therewith, and a voltage corresponding to the deformation is generated. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、磁気的作用を利用して物体の位置またはその変位を検知する磁気センサに係わる。 The present invention relates to a magnetic sensor that detects the position of an object or its displacement using a magnetic action.

物体の位置またはその変位を検知するためのセンサとして、従来より、磁気的作用を利用する磁気センサが知られている。
単純なモデルとしては、コイルを用いて磁束の変化を検出する形態が考えられる。この場合、基本的に、検知対象物に永久磁石が取り付けられる。そして、コイルと検知対象物との相対的な位置関係が変化すると、コイルを通過する磁束の数が変化し、それに応じてコイルに電圧が発生する。すなわち、コイルに発生する電圧を検出することにより、検知対象物の位置の変位を検出できる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a magnetic sensor using a magnetic action is known as a sensor for detecting the position of an object or its displacement.
As a simple model, a form in which a change in magnetic flux is detected using a coil can be considered. In this case, a permanent magnet is basically attached to the detection target. When the relative positional relationship between the coil and the object to be detected changes, the number of magnetic fluxes passing through the coil changes, and a voltage is generated in the coil accordingly. That is, the displacement of the position of the detection target can be detected by detecting the voltage generated in the coil.

また、ホール効果を利用したホール素子や巨大磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistance）素子など用いて物体の位置またはその変位を検知するセンサは、広く実用化されている。
さらに、特許文献１には、小型／軽量化を目的とした磁界センサが記載されている。この特許文献１に記載の磁界センサは、磁歪素子および圧電素子を組み合わせることによって構成されており、流れている電流を測定すべき電線から所定距離離れた位置に設置される。ここで、その電線を介して流れる電流に起因して発生する磁界の影響で磁歪素子が変形すると、それに伴って圧電素子も変形し、その圧電素子の変形量に応じた電圧が発生する。すなわち、圧電素子に発生する電圧に基づいて、電線を介して流れる電流が検出される。
特開２０００−８８９３７号公報（要約、図１、段落００１１〜００１３） In addition, sensors that detect the position of an object or its displacement using a Hall element that utilizes the Hall effect or a magnetoresistive (GMR: Giant Magneto Resistance) element that utilizes a giant magnetoresistance effect have been widely put into practical use.
Furthermore, Patent Document 1 describes a magnetic field sensor for the purpose of reducing the size and weight. The magnetic field sensor described in Patent Document 1 is configured by combining a magnetostrictive element and a piezoelectric element, and is installed at a position away from a wire to be measured by a predetermined distance. Here, when the magnetostrictive element is deformed by the influence of the magnetic field generated due to the current flowing through the electric wire, the piezoelectric element is also deformed accordingly, and a voltage corresponding to the deformation amount of the piezoelectric element is generated. That is, the current flowing through the electric wire is detected based on the voltage generated in the piezoelectric element.
JP 2000-88937 A (summary, FIG. 1, paragraphs 0011 to 0013)

コイルを用いて磁束の変化を検出する形態では、検知対象物がゆっくりと移動した場合には、磁束の変化量が小さいので、コイルに発生する電圧も小さくなってしまう。すなわち、この形態では、検知対象物がゆっくりと移動するような場合は、検知精度が低下するか、検知すること自体が不可能になる可能性がある。 In the form of detecting the change in the magnetic flux using the coil, when the detection target moves slowly, the amount of change in the magnetic flux is small, so the voltage generated in the coil also becomes small. That is, in this embodiment, when the detection object moves slowly, the detection accuracy may be reduced, or the detection itself may be impossible.

ホール素子や磁気抵抗素子を用いた形態では、それらの素子に電圧を印加するための駆動電源が必要になるので、センサシステム全体として考えると、小型化を図ることが困難である。また、これらの素子をセンサとして使用できる温度の上限値は、１７０℃程度である。すなわち、これらの素子は、高温環境下では使用できない場合がある。 In the form using Hall elements or magnetoresistive elements, a drive power supply for applying a voltage to these elements is required, and therefore it is difficult to reduce the size of the sensor system as a whole. Moreover, the upper limit of the temperature which can use these elements as a sensor is about 170 degreeC. That is, these elements may not be used in a high temperature environment.

特許文献１に記載の磁気センサは、上述したように、電線を流れる電流を検出する目的で設計されている。このため、この構成の磁気センサで検知対象物の位置またはその変位を検知するためには、検知対象物に電流が流れている必要がある。すなわち、この構成の磁気センサでは、非常に限られた検知対象物についてしか位置またはその変位を検知できない。 As described above, the magnetic sensor described in Patent Document 1 is designed for the purpose of detecting a current flowing through an electric wire. For this reason, in order to detect the position of a detection target object or its displacement with the magnetic sensor having this configuration, it is necessary that a current flows through the detection target object. In other words, the magnetic sensor having this configuration can detect the position or its displacement only for a very limited detection object.

本発明の目的は、物体の位置またはその変位を検知する磁気センサの使い勝手を向上させることである。 An object of the present invention is to improve the usability of a magnetic sensor that detects the position of an object or its displacement.

本発明の磁気センサは、検知対象物の位置またはその変位を検知するセンサであって、磁歪素子と、上記磁歪素子に接合された圧電素子と、上記磁歪素子を通過する磁束ループを形成する磁気回路、を有する。そして、上記圧電素子に発生する電圧が上記検知対象物の位置またはその変位を表示する。 The magnetic sensor of the present invention is a sensor that detects the position of an object to be detected or its displacement, and forms a magnetostrictive element, a piezoelectric element joined to the magnetostrictive element, and a magnetic flux loop that passes through the magnetostrictive element. Circuit. And the voltage which generate | occur | produces in the said piezoelectric element displays the position of the said detection target object, or its displacement.

上記磁気センサが検知対象物の近傍に配置されると、その検知対象物を通過する磁束ループが形成される。そして、その検知対象物の位置が変化すると、磁歪素子を通過する磁束が変化する。すなわち、磁歪素子に加わる磁界の強度が変化する。そうすると、磁歪素子はその磁界強度に応じて変形し、また、その磁歪素子に接合されている圧電素子も変形する。このとき、圧電素子には、圧電素子自体の歪量に対応する電圧が発生する。したがって、圧電素子に発生する電圧をモニタすることにより、検知対象物の位置またはその変位を検知できる。 When the magnetic sensor is disposed in the vicinity of the detection target, a magnetic flux loop passing through the detection target is formed. When the position of the detection object changes, the magnetic flux passing through the magnetostrictive element changes. That is, the strength of the magnetic field applied to the magnetostrictive element changes. Then, the magnetostrictive element is deformed according to the magnetic field strength, and the piezoelectric element bonded to the magnetostrictive element is also deformed. At this time, a voltage corresponding to the amount of strain of the piezoelectric element itself is generated in the piezoelectric element. Therefore, by monitoring the voltage generated in the piezoelectric element, the position of the detection object or its displacement can be detected.

上記磁気回路は、磁石と、その磁石により生成される磁束を利用して上記磁歪素子を通過する第１の磁束ループを形成すると共に、その磁石により生成される磁束を利用して上記検知対象物を通過する第２の磁束ループを形成する磁性体部材、を有する構成であってもよい。あるいは、上記磁気回路は、磁石と、その磁石に対して上記磁歪素子および上記検知対象物を磁気的に並列に接続する磁性体部材、を有する構成であってもよい。 The magnetic circuit forms a first magnetic flux loop that passes through the magnetostrictive element using a magnet and a magnetic flux generated by the magnet, and uses the magnetic flux generated by the magnet to detect the object to be detected. The structure which has a magnetic body member which forms the 2nd magnetic flux loop which passes through may be sufficient. Alternatively, the magnetic circuit may have a magnet and a magnetic member that magnetically connects the magnetostrictive element and the detection object to the magnet in parallel.

これらの構成においては、例えば、当該磁気センサと検知対象物との間のギャップ長が大きくなり、検知対象物を通過する磁束ループの磁束が減少すると、その分だけ磁歪材料を通過する磁束ループの磁束が増加する。これにより、磁歪素子に加わる磁界の強度が変化し、圧電素子に発生する電圧も変化する。 In these configurations, for example, when the gap length between the magnetic sensor and the detection target increases and the magnetic flux of the magnetic flux loop passing through the detection target decreases, the magnetic flux loop passing through the magnetostrictive material correspondingly decreases. Magnetic flux increases. As a result, the strength of the magnetic field applied to the magnetostrictive element changes, and the voltage generated in the piezoelectric element also changes.

また、上記磁気回路は、磁石と、上記磁石により生成される磁束を利用して上記磁歪素子および上記検知対象物を通過する磁束ループを形成する磁性体部材、を有する構成であってもよい。あるいは、上記磁気回路は、磁石と、上記磁石に対して上記磁歪素子および上記検知対象物を磁気的に直列に接続する磁性体部材、を有する構成であってもよい。さらに、検知対象物に磁石が取り付けられている場合は、上記磁気回路は、その検知対象物に設けられている磁石により生成される磁束を利用して上記磁歪素子を通過する磁束ループを形成する磁性体部材、を有する構成であってもよい。 The magnetic circuit may include a magnet and a magnetic member that forms a magnetic flux loop that passes through the magnetostrictive element and the detection target using magnetic flux generated by the magnet. Alternatively, the magnetic circuit may include a magnet and a magnetic member that magnetically connects the magnetostrictive element and the detection target in series to the magnet. Furthermore, when a magnet is attached to the detection target, the magnetic circuit forms a magnetic flux loop that passes through the magnetostrictive element using a magnetic flux generated by the magnet provided on the detection target. The structure which has a magnetic body member may be sufficient.

これらの構成においては、当該磁気センサと検知対象物との間のギャップ長が変化すると、それに応じて磁束ループの磁束も変化する。これにより、磁歪素子に加わる磁界の強度が変化し、圧電素子に発生する電圧も変化する。
なお、上記磁気センサにおいて、上記磁歪素子および上記圧電素子は、上記磁歪素子が上記圧電素子により挟みつけられるようにして互いに接合されていてもよい。この構成によれば、磁歪素子の両面に接合されている１組の圧電素子に発生する電圧により検知対象物の位置またはその変位が検知されるので、精度の向上が図れる。 In these configurations, when the gap length between the magnetic sensor and the detection object changes, the magnetic flux of the magnetic flux loop changes accordingly. As a result, the strength of the magnetic field applied to the magnetostrictive element changes, and the voltage generated in the piezoelectric element also changes.
In the magnetic sensor, the magnetostrictive element and the piezoelectric element may be joined to each other so that the magnetostrictive element is sandwiched between the piezoelectric elements. According to this configuration, the position of the object to be detected or its displacement is detected by the voltage generated in the pair of piezoelectric elements bonded to both surfaces of the magnetostrictive element, so that the accuracy can be improved.

本発明によれば、検知素子を駆動するための電源が不要なので、センサの小型化および軽量化を図ることができる。また、圧電素子に発生する電圧は、磁束の変化速度に依存するものではないので、検知対象物がゆっくりと移動した場合であっても、その変位を検知できる。 According to the present invention, since a power source for driving the sensing element is unnecessary, the sensor can be reduced in size and weight. In addition, since the voltage generated in the piezoelectric element does not depend on the change rate of the magnetic flux, even when the detection object moves slowly, the displacement can be detected.

以下、図面を参照しながら本発明に係る磁気センサについて説明する。なお、本発明に係る磁気センサは、磁気的作用を利用して物体（検知対象物）の位置またはその変位を検知する。具体的には、例えば、検知対象物の近傍に磁気センサを設けておき、その磁気センサと検知対象物との間のギャップ長またはそのギャップ長の変位を検知する用途に使用される。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態の磁気センサ１００を模式的に示した図である。磁気センサ１００は、図１（ａ）に示すように、磁歪材料（磁歪素子）１およびその磁歪材料１に接合された圧電材料（圧電素子）２ａ、２ｂを含む。ここで、圧電材料２ａ、２ｂは、磁歪材料１を挟むようにしてその磁歪材料１に接合されている。また、磁歪材料１と圧電材料２ａ、２ｂとは、例えば、接着剤により互いに接合される。 Hereinafter, a magnetic sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings. The magnetic sensor according to the present invention detects the position of an object (detection target) or its displacement using a magnetic action. Specifically, for example, a magnetic sensor is provided in the vicinity of the detection object, and the gap length between the magnetic sensor and the detection object or a displacement of the gap length is detected.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram schematically showing a magnetic sensor 100 according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, the magnetic sensor 100 includes a magnetostrictive material (magnetostrictive element) 1 and piezoelectric materials (piezoelectric elements) 2a and 2b joined to the magnetostrictive material 1. Here, the piezoelectric materials 2a and 2b are joined to the magnetostrictive material 1 with the magnetostrictive material 1 interposed therebetween. The magnetostrictive material 1 and the piezoelectric materials 2a and 2b are bonded to each other by, for example, an adhesive.

磁歪材料１は、磁歪効果を有する材料であり、外部から与えられた磁界によりその磁歪材料自体が磁化すると、その磁歪材料自体が変形（歪）する。ここで、磁歪材料１の歪量は、所定の磁界強度範囲内においては、概ね、与えられた磁界の強度に比例する。なお、磁歪材料１は、図１においては、Ｘ方向に磁化容易方向があるものとする。また、磁歪材料１は、特に限定されるものではないが、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｃｏ系、Ｆｅ−Ｇａ系であってもよいし、歪み率の大きな超磁歪材料を用いてもよい。 The magnetostrictive material 1 is a material having a magnetostrictive effect. When the magnetostrictive material itself is magnetized by a magnetic field applied from the outside, the magnetostrictive material itself is deformed (strained). Here, the amount of strain of the magnetostrictive material 1 is generally proportional to the strength of the applied magnetic field within a predetermined magnetic field strength range. In FIG. 1, the magnetostrictive material 1 has an easy magnetization direction in the X direction. Further, the magnetostrictive material 1 is not particularly limited, but may be, for example, Fe—Ni, Fe—Co, or Fe—Ga, or a giant magnetostrictive material having a large strain rate. Good.

また、圧電材料２ａ、２ｂは、圧電効果を有する材料であり、機械的な歪を電気信号に変換することができる。ここで、圧電材料２ａ、２ｂに発生する電圧は、概ね、その圧電材料自体の歪量に比例する。なお、圧電材料２ａ、２ｂは、図１においては、それぞれＺ方向（厚み方向）に分極方向を有するものとする。また、圧電材料２ａ、２ｂは、特に限定されるものではないが、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン亜鉛）である。 The piezoelectric materials 2a and 2b are materials having a piezoelectric effect and can convert mechanical strain into an electric signal. Here, the voltage generated in the piezoelectric materials 2a and 2b is generally proportional to the amount of strain of the piezoelectric material itself. The piezoelectric materials 2a and 2b have a polarization direction in the Z direction (thickness direction) in FIG. In addition, the piezoelectric materials 2a and 2b are not particularly limited, but are, for example, PZT (zirconate zinc titanate).

この実施例では、磁歪材料１は、電気的に接地されている。また、圧電材料２ａ、２ｂには、それぞれ、その圧電材料で発生した電圧を取り出すための電極が形成されている。そして、圧電材料２ａに発生する電圧と圧電材料２ｂに発生する電圧との合成電圧が磁気センサ１００の出力として使用される。 In this embodiment, the magnetostrictive material 1 is electrically grounded. In addition, each of the piezoelectric materials 2a and 2b is formed with an electrode for taking out a voltage generated in the piezoelectric material. A combined voltage of the voltage generated in the piezoelectric material 2 a and the voltage generated in the piezoelectric material 2 b is used as the output of the magnetic sensor 100.

積層された磁歪材料１、圧電材料２ａ、２ｂの近接には、図１（ｂ）に示すように、永久磁石３が設けられる。永久磁石３は、特に限定されるものではなく、一般的な永久磁石により実現可能である。そして、ヨーク（磁性体部材）４ａ、４ｂは、磁歪材料１、圧電材料２ａ、２ｂ、永久磁石３を挟みつけるようにして設けられる。なお、ヨーク４ａ、４ｂは、永久磁石３により生成される磁束の経路としての機能を提供する。 As shown in FIG. 1B, a permanent magnet 3 is provided in the proximity of the laminated magnetostrictive material 1 and piezoelectric materials 2a and 2b. The permanent magnet 3 is not particularly limited, and can be realized by a general permanent magnet. The yokes (magnetic members) 4a and 4b are provided so as to sandwich the magnetostrictive material 1, the piezoelectric materials 2a and 2b, and the permanent magnet 3. The yokes 4 a and 4 b provide a function as a path for magnetic flux generated by the permanent magnet 3.

図２は、磁気センサ１００の動作原理を説明する図である。ここでは、センサ１００が検知対象物１１の近傍に設けられているものとする。そして、磁気センサ１００は、磁気センサ１００と検知対象物１１との間のギャップ長を検出する。ただし、検知対象物１１は、磁性体であるものとする。 FIG. 2 is a diagram for explaining the operating principle of the magnetic sensor 100. Here, it is assumed that the sensor 100 is provided in the vicinity of the detection target 11. The magnetic sensor 100 detects the gap length between the magnetic sensor 100 and the detection target 11. However, the detection target 11 is assumed to be a magnetic material.

磁気センサ１００が検知対象物１１の近傍に設けられると、図２（ａ）に示すように、磁束ループが２つ形成される。一方の磁束ループ（第１の磁束ループ）は、永久磁石３から出力される磁束が、ヨーク４ａ、磁歪材料１、ヨーク４ｂを通過して永久磁石３に戻る閉ループである。他方の磁束ループ（第２の磁束ループ）は、永久磁石３から出力される磁束が、ヨーク４ａ、検知対象物１１、ヨーク４ｂを通過して永久磁石３に戻る閉ループである。 When the magnetic sensor 100 is provided in the vicinity of the detection object 11, two magnetic flux loops are formed as shown in FIG. One magnetic flux loop (first magnetic flux loop) is a closed loop in which the magnetic flux output from the permanent magnet 3 returns to the permanent magnet 3 through the yoke 4a, the magnetostrictive material 1, and the yoke 4b. The other magnetic flux loop (second magnetic flux loop) is a closed loop in which the magnetic flux output from the permanent magnet 3 returns to the permanent magnet 3 through the yoke 4a, the detection object 11, and the yoke 4b.

図３は、磁気センサ１００の磁気回路の等価回路である。ここでは、永久磁石３は、磁力源Ｕp および抵抗成分Rp として表わされている。また、磁歪材料１は、抵抗成分Rm として表わされている。さらに、抵抗成分Ｒg は、磁気センサ１００と検知対象物１１との間のギャップに起因する抵抗成分を表わしている、なお、ヨーク４ａ、４ｂおよび検知対象物１１の抵抗成分は、無視されている。 FIG. 3 is an equivalent circuit of the magnetic circuit of the magnetic sensor 100. Here, the permanent magnet 3 is represented as a magnetic source Up and a resistance component Rp. The magnetostrictive material 1 is represented as a resistance component Rm. Further, the resistance component Rg represents a resistance component caused by a gap between the magnetic sensor 100 and the detection target 11, and the resistance components of the yokes 4a and 4b and the detection target 11 are ignored. .

このように、磁気センサ１００の磁気回路は、互いに並列に接続された抵抗成分Rm および抵抗成分Ｒg が永久磁石３に対して設けられた構成となっている。
磁気センサ１００に対する検知対象物１１の相対位置が変位すると、即ちヨーク４ａ、４ｂと検知対象物１１との間のギャップ長が変化すると、図２（ｂ）に示すように、磁束の流れが変化する。例えば、図２（ｂ）に示すように、ギャップ長が大きくなると、図３に示す抵抗成分Ｒg が大きくなる。そうすると、抵抗成分Ｒg を通過する磁束が減少し、その分だけ抵抗成分Rm を通過する磁束が増加する。すなわち、ギャップ長が大きくなると、磁歪材料１に加わる磁界が強くなる。 As described above, the magnetic circuit of the magnetic sensor 100 has a configuration in which the resistance component Rm and the resistance component Rg connected in parallel to each other are provided for the permanent magnet 3.
When the relative position of the detection object 11 with respect to the magnetic sensor 100 is displaced, that is, when the gap length between the yokes 4a and 4b and the detection object 11 changes, the flow of magnetic flux changes as shown in FIG. To do. For example, as shown in FIG. 2B, as the gap length increases, the resistance component Rg shown in FIG. 3 increases. As a result, the magnetic flux passing through the resistance component Rg decreases, and the magnetic flux passing through the resistance component Rm increases accordingly. That is, as the gap length increases, the magnetic field applied to the magnetostrictive material 1 increases.

磁歪材料１は、上述したように、外部から加えられた磁界により機械的な歪が生じる。また、磁歪材料１が歪むと、その磁歪材料１に接合されている圧電材料２ａ、２ｂも歪むことになる。そして、圧電材料２ａ、２ｂは、その歪量に応じた電圧を発生させる。したがって、圧電材料２ａ、２ｂに発生する電圧をモニタすれば、磁気センサ１００と検知対象物１１との間のギャップ長を検知できる。 As described above, the magnetostrictive material 1 is mechanically strained by a magnetic field applied from the outside. When the magnetostrictive material 1 is distorted, the piezoelectric materials 2a and 2b joined to the magnetostrictive material 1 are also distorted. The piezoelectric materials 2a and 2b generate a voltage corresponding to the amount of strain. Therefore, the gap length between the magnetic sensor 100 and the detection object 11 can be detected by monitoring the voltage generated in the piezoelectric materials 2a and 2b.

このように、磁気センサ１００は、圧電材料２ａ、２ｂに発生する電圧をモニタすることにより検知対象物１１の位置またはその変位を検知できるので、駆動電源を設ける必要がなく、小型軽量化が容易である。また、圧電材料２ａ、２ｂに発生する電圧は、コイルに発生する電圧と異なり磁束の変化速度に依存するものではないので、検知対象物１１がゆっくりと移動した場合であっても、その変位を検知できる。さらに、磁歪材料１は、ホール素子やＧＭＲ素子と異なり、キュリー温度の高い材料で実現可能なので、より広い温度範囲に渡って使用することができる。 As described above, the magnetic sensor 100 can detect the position of the detection object 11 or its displacement by monitoring the voltage generated in the piezoelectric materials 2a and 2b, so that it is not necessary to provide a drive power source and can be easily reduced in size and weight. It is. In addition, unlike the voltage generated in the coil, the voltage generated in the piezoelectric materials 2a and 2b does not depend on the change rate of the magnetic flux, so even if the detection object 11 moves slowly, the displacement is reduced. Can be detected. Furthermore, unlike the Hall element and GMR element, the magnetostrictive material 1 can be realized with a material having a high Curie temperature, and therefore can be used over a wider temperature range.

次に、磁気センサ１００の特性の測定結果を示す。なお、ここでは、以下の条件下で測定を行った。
磁歪材料１：
Compliance ｓ11：１０〜１００（１０^-12ｍ²／Ｎ）
Piezomagnetic constant ｄ33：１５（１０^-9ｍ／Ａ）
Relative permeability μm：５〜１００
Coupling constant ｋ33：０．７５
Curie temperature Ｔｃ：２５０℃
圧電材料（ＰＺＴ）２ａ、２ｂ：
Compliance ｓ11：１７．１（１０^-12ｍ²／Ｎ）
Piezomagnetic constant ｄ31：−１９８（１０^-12ｍ／Ｖ）
ｇ31：−１２．１（１０^-3Ｖｍ／Ｎ）
Relative permeability ε33：１８００
Coupling constant ｋ31：０．３８
Curie temperature Ｔｃ：３３０℃
ギャップ長：
ヨーク４ａ、４ｂと検知対象物１１との間のギャップ長（バイアスギャップ）を、０．１ｍｍを基準として±２５μｍの範囲で変化させる。
出力回路：
図４（ａ）に示すように、磁歪材料１は接地される。また、圧電材料２ａ、２ｂに発生する電圧は、オペアンプ２１の非反転端子に与えられる。このとき、オペアンプ２１の出力は、そのままオペアンプ２１の反転入力端子に与えられる。そして、オペアンプ２１の出力電位が、ギャップ長に対応する電圧として取り出される。なお、圧電材料２ａ、２ｂは、高インピーダンスの容量性出力であり、オペアンプ２１はインピーダンス変換器として動作する。
機械的構成：
図４（ｂ）に示すように、磁気センサ１００は、検知対象物１１の近傍に固定される。検知対象物１１は、励振用アクチュエータ３１に取り付けられている。励振用アクチュエータ３１は、外部からの指示により、所望の周波数且つ所望の振幅で振動することができる。この構成により、磁気センサ１００と検知対象物１１との間のギャップ長を、所望の周波数で且つ所望の量だけ変位させることができる。 Next, the measurement results of the characteristics of the magnetic sensor 100 will be shown. Here, the measurement was performed under the following conditions.
Magnetostrictive material 1:
^{Compliance s11: 10~100 (10 -12 m} 2 / N)
Piezomagnetic constant d33: 15 (10 ^-9 m / A)
Relative permeability μm: 5-100
Coupling constant k33: 0.75
Curie temperature Tc: 250 ° C
Piezoelectric material (PZT) 2a, 2b:
Compliance s11: 17.1 (10 ^-12 m ² / N)
Piezomagnetic constant d31: -198 (10 ^-12 m / V)
g31: -12. 1 ( ^10-3 Vm / N)
Relative permeability ε33: 1800
Coupling constant k31: 0.38
Curie temperature Tc: 330 ° C
Gap length:
The gap length (bias gap) between the yokes 4a and 4b and the detection object 11 is changed within a range of ± 25 μm with 0.1 mm as a reference.
Output circuit:
As shown in FIG. 4A, the magnetostrictive material 1 is grounded. The voltage generated in the piezoelectric materials 2 a and 2 b is applied to the non-inverting terminal of the operational amplifier 21. At this time, the output of the operational amplifier 21 is supplied to the inverting input terminal of the operational amplifier 21 as it is. Then, the output potential of the operational amplifier 21 is taken out as a voltage corresponding to the gap length. The piezoelectric materials 2a and 2b are high impedance capacitive outputs, and the operational amplifier 21 operates as an impedance converter.
Mechanical configuration:
As shown in FIG. 4B, the magnetic sensor 100 is fixed in the vicinity of the detection target 11. The detection object 11 is attached to the excitation actuator 31. The excitation actuator 31 can vibrate at a desired frequency and a desired amplitude according to an instruction from the outside. With this configuration, the gap length between the magnetic sensor 100 and the detection object 11 can be displaced by a desired amount at a desired frequency.

図５は、ギャップ長の変化と発生電圧との関係を示す図である。図５に示すように、磁気センサ１００に発生する電圧は、概ねギャップ長の変位量に比例する。したがって、磁気センサ１００に発生する電圧をモニタすれば、ギャップ長の変位量（すなわち、検知対象物１１の位置またはその変位）を検知することができる。そして、磁気センサ１００の感度（図５に示すグラフの傾き）として、約４０Ｖ／ｍｍが得られている。なお、ギャップ長の変位量が大きくなると、若干のヒステリシスが発生する。また、ギャップ長の変位は、磁気センサ１００とは別個に用意したセンサを利用して測定した。 FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the change in gap length and the generated voltage. As shown in FIG. 5, the voltage generated in the magnetic sensor 100 is approximately proportional to the displacement amount of the gap length. Therefore, if the voltage generated in the magnetic sensor 100 is monitored, the displacement amount of the gap length (that is, the position of the detection object 11 or its displacement) can be detected. As the sensitivity of the magnetic sensor 100 (the slope of the graph shown in FIG. 5), about 40 V / mm is obtained. Note that when the amount of displacement of the gap length increases, a slight hysteresis occurs. The displacement of the gap length was measured using a sensor prepared separately from the magnetic sensor 100.

図６は、ギャップ長の変化と磁歪材料１の歪との関係を示す図である。図６に示すように、磁歪材料１の歪は、概ねギャップ長に比例する。なお、磁歪材料１の歪は、磁歪材料１に取り付けられた不図示の歪ゲージを用いて測定した。
図７は、磁気センサ１００に発生する電圧の周波数特性を示す図である。ここで「周波数」とは、図４（ｂ）に示す励振用アクチュエータ３１の振動周波数に相当する。図７に示すように、０．１Ｈｚ〜１００Ｈｚの周波数範囲において、磁気センサ１００に発生する電圧が概ねギャップ長の変位量に比例することが確認された。すなわち、検知対象物１１がゆっくりと変位する場合であっても、磁気センサ１００に発生する電圧をモニタすることで、その変位量を検知できる。なお、周波数の高い領域については、実験データを収集していないが、少なくとも１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度までは検知対象物１１の変位を検知できるものと推定される。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the change in the gap length and the strain of the magnetostrictive material 1. As shown in FIG. 6, the strain of the magnetostrictive material 1 is generally proportional to the gap length. The strain of the magnetostrictive material 1 was measured using a strain gauge (not shown) attached to the magnetostrictive material 1.
FIG. 7 is a diagram illustrating frequency characteristics of a voltage generated in the magnetic sensor 100. Here, the “frequency” corresponds to the vibration frequency of the excitation actuator 31 shown in FIG. As shown in FIG. 7, in the frequency range of 0.1 Hz to 100 Hz, it was confirmed that the voltage generated in the magnetic sensor 100 was approximately proportional to the gap length displacement. That is, even when the detection target 11 is slowly displaced, the amount of displacement can be detected by monitoring the voltage generated in the magnetic sensor 100. In addition, although the experimental data is not collected about the area | region with a high frequency, it is estimated that the displacement of the detection target object 11 can be detected at least to about 10 kHz-20 kHz.

図８は、磁気センサ１００の感度のギャップ長依存性を示す図である。ここでは、ヨーク４ａ、４ｂと検知対象物１１との間の基準ギャップ長をパラメータとして磁気センサ１００の感度が示されている。なお、「磁気センサ１００の感度」は、ギャップ長の変化量に対する発生電圧により得られる。そして、図８に示すように、磁気センサ１００が検知対象物１１の近傍に設けられているほど、磁気センサ１００の感度は高くなることがわかる。 FIG. 8 is a diagram illustrating the gap length dependency of the sensitivity of the magnetic sensor 100. Here, the sensitivity of the magnetic sensor 100 is shown using the reference gap length between the yokes 4a and 4b and the detection object 11 as a parameter. The “sensitivity of the magnetic sensor 100” is obtained from the generated voltage with respect to the change amount of the gap length. As shown in FIG. 8, it is understood that the sensitivity of the magnetic sensor 100 increases as the magnetic sensor 100 is provided in the vicinity of the detection target 11.

図９（ａ）は、磁気センサ１００の具体的な使用例を示す図である。また、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す実施例における磁気センサ１００の出力を示す図である。この実施例では、磁気センサ１００は、歯車４１の回転を検出する用途で使用されている。なお、歯車４１は、磁性体で形成されているものとする。 FIG. 9A is a diagram illustrating a specific usage example of the magnetic sensor 100. FIG. 9B is a diagram showing the output of the magnetic sensor 100 in the embodiment shown in FIG. In this embodiment, the magnetic sensor 100 is used for detecting the rotation of the gear 41. Note that the gear 41 is formed of a magnetic material.

歯車４１が回転すると、磁気センサ１００に対向する領域に「突起部」が位置する状態と「溝部」が位置する状態が交互に繰り返されることになる。すなわち、磁気センサ１００と歯車４１の間のギャップ長が大きい状態と小さい状態とが交互に繰り返されることになる。ここで、このギャップ長が変化すると、上述したように、磁気センサ１００に発生する電圧が変化する。したがって、歯車４１が回転すると、「突起部」が磁気センサ１００の近傍を通過する毎に、磁気センサ１００に発生する電圧が周期的に変化することになる。すなわち、歯車４１のピッチに対応する周期の電圧波形が得られるので、この周期に基づいて歯車４１の回転数を算出することができる。 When the gear 41 rotates, the state where the “projection” is located in the region facing the magnetic sensor 100 and the state where the “groove” is located are repeated alternately. That is, a state where the gap length between the magnetic sensor 100 and the gear 41 is large and a state where the gap length is small are alternately repeated. Here, when the gap length changes, the voltage generated in the magnetic sensor 100 changes as described above. Therefore, when the gear 41 rotates, the voltage generated in the magnetic sensor 100 periodically changes every time the “protrusion” passes in the vicinity of the magnetic sensor 100. That is, since a voltage waveform having a period corresponding to the pitch of the gear 41 is obtained, the rotational speed of the gear 41 can be calculated based on this period.

図１０は、図９に示す実施例の作用を説明する図である。ここでは、歯車４１が反時計回りに回転しているものとする。
図１０（ａ）に示す状態では、磁気センサ１００に対向する領域に歯車４１の突起部４１ａが位置していない。このため、磁気センサ１００と歯車４１との間のギャップ長が大きくなり、歯車４１を通過する経路の磁束は少なくなる。この結果、磁歪材料１を通過する磁束が多くなる。 FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the embodiment shown in FIG. Here, it is assumed that the gear 41 is rotating counterclockwise.
In the state shown in FIG. 10A, the protrusion 41 a of the gear 41 is not located in a region facing the magnetic sensor 100. For this reason, the gap length between the magnetic sensor 100 and the gear 41 is increased, and the magnetic flux in the path passing through the gear 41 is reduced. As a result, the magnetic flux passing through the magnetostrictive material 1 increases.

一方、図１０（ｂ）に示す状態では、磁気センサ１００に対向する領域に歯車４１の突起部４１ａが位置している。このため、磁気センサ１００と歯車４１との間のギャップ長が小さくなり、歯車４１を通過する経路の磁束は多くなる。この結果、磁歪材料１を通過する磁束は少なくなる。 On the other hand, in the state shown in FIG. 10B, the protrusion 41 a of the gear 41 is located in a region facing the magnetic sensor 100. For this reason, the gap length between the magnetic sensor 100 and the gear 41 is reduced, and the magnetic flux in the path passing through the gear 41 is increased. As a result, the magnetic flux passing through the magnetostrictive material 1 is reduced.

上述のように、歯車４１の突起部４１ａの位置に応じて、磁歪材料１を通過する磁束の密度が変化する。すなわち、歯車４１の突起部４１ａの位置に応じて、磁歪材料１に加わる磁界の強度が変化する。このとき、磁歪材料１に加わる磁界強度が変化すると、その磁界の強度に応じて磁歪材料１が歪み、さらにその磁歪材料１に接合されている圧電材料２ａ、２ｂも歪むことになる。そして、圧電材料２ａ、２ｂには、その歪量に応じた電圧が発生する。したがって、磁気センサ１００に発生する電圧をモニタすることにより、歯車４１の回転を検出できる。
＜第２の実施形態＞
図１１は、磁気センサ２００の動作原理を説明する図である。なお、図１１において、磁歪材料１、圧電材料２ａ、２ｂは、第１の実施形態において説明した通りである。ただし、磁気センサ２００においては、ヨーク４ａ、４ｂの端部にそれぞれ永久磁石５ａ、５ｂが設けられている。 As described above, the density of the magnetic flux passing through the magnetostrictive material 1 changes according to the position of the protrusion 41a of the gear 41. That is, the strength of the magnetic field applied to the magnetostrictive material 1 changes according to the position of the protrusion 41 a of the gear 41. At this time, if the magnetic field strength applied to the magnetostrictive material 1 changes, the magnetostrictive material 1 is distorted according to the strength of the magnetic field, and the piezoelectric materials 2a and 2b joined to the magnetostrictive material 1 are also distorted. A voltage corresponding to the amount of strain is generated in the piezoelectric materials 2a and 2b. Therefore, the rotation of the gear 41 can be detected by monitoring the voltage generated in the magnetic sensor 100.
<Second Embodiment>
FIG. 11 is a diagram for explaining the operating principle of the magnetic sensor 200. In FIG. 11, the magnetostrictive material 1 and the piezoelectric materials 2a and 2b are as described in the first embodiment. However, in the magnetic sensor 200, permanent magnets 5a and 5b are provided at the ends of the yokes 4a and 4b, respectively.

第１の実施形態では、磁気センサ１００が検知対象物１１の近傍に配置されると、図２を参照しながら説明したように、２つの磁束ループが形成された。これに対して、第２の実施形態の磁気センサ２００が検知対象物１１の近傍に配置されると、図１１に示すように、１つの磁束ループが形成される。すなわち、永久磁石５ａから検知対象物１１を経由して永久磁石５ｂに至り、さらにヨーク４ｂ、磁歪材料１、ヨーク４ａを経由して永久磁石５ａに戻る磁束ループが形成されることになる。 In the first embodiment, when the magnetic sensor 100 is disposed in the vicinity of the detection target 11, two magnetic flux loops are formed as described with reference to FIG. On the other hand, when the magnetic sensor 200 of the second embodiment is arranged in the vicinity of the detection target 11, one magnetic flux loop is formed as shown in FIG. That is, a magnetic flux loop is formed from the permanent magnet 5a to the permanent magnet 5b via the detection target 11, and further to the permanent magnet 5a via the yoke 4b, the magnetostrictive material 1, and the yoke 4a.

図１２は、磁気センサ２００の磁気回路の等価回路である。ここでは、１組の永久磁石５ａ、５ｂが、磁力源Ｕp および抵抗成分Rp として表わされている。また、磁歪材料１は、抵抗成分Rm として表わされている。さらに、抵抗成分Ｒg は、磁気センサ２００と検知対象物１１との間のギャップに起因する抵抗成分を表わしている。このように、磁気センサ２００の磁気回路は、永久磁石５ａ、５ｂに対して抵抗成分Rm および抵抗成分Ｒg が直列的に設けられた構成となっている。 FIG. 12 is an equivalent circuit of the magnetic circuit of the magnetic sensor 200. Here, a set of permanent magnets 5a and 5b is represented as a magnetic source Up and a resistance component Rp. The magnetostrictive material 1 is represented as a resistance component Rm. Further, the resistance component Rg represents a resistance component caused by the gap between the magnetic sensor 200 and the detection target 11. Thus, the magnetic circuit of the magnetic sensor 200 has a configuration in which the resistance component Rm and the resistance component Rg are provided in series with respect to the permanent magnets 5a and 5b.

磁気センサ２００に対する検知対象物１１の相対位置が変位すると、即ち磁気センサ２００と検知対象物１１との間のギャップ長が変化すると、図１１（ｂ）に示すように、磁束密度が変化する。例えば、図１１（ｂ）に示すように、ギャップ長が小さくなると、図１２に示す抵抗成分Ｒg が小さくなる。そうすると、磁気回路全体としての抵抗成分が小さくなるので、抵抗成分Rm を介して流れる磁束が増加する。すなわち、ギャップ長が小さくなると、磁歪材料１に加わる磁界が強くなる。 When the relative position of the detection object 11 with respect to the magnetic sensor 200 is displaced, that is, when the gap length between the magnetic sensor 200 and the detection object 11 changes, the magnetic flux density changes as shown in FIG. For example, as shown in FIG. 11B, when the gap length is reduced, the resistance component Rg shown in FIG. 12 is reduced. As a result, the resistance component of the magnetic circuit as a whole is reduced, and the magnetic flux flowing through the resistance component Rm is increased. That is, as the gap length decreases, the magnetic field applied to the magnetostrictive material 1 increases.

磁歪材料１は、上述したように、外部から加えられた磁界により機械的な歪が生じる。また、磁歪材料１が歪むと、その磁歪材料１に接合されている圧電材料２ａ、２ｂも歪むことになる。そして、圧電材料２ａ、２ｂは、その歪量に応じた電圧を発生させる。したがって、圧電材料２ａ、２ｂに発生する電圧をモニタすれば、磁気センサ２００と検知対象物１１との間のギャップ長を検知できる。 As described above, the magnetostrictive material 1 is mechanically strained by a magnetic field applied from the outside. When the magnetostrictive material 1 is distorted, the piezoelectric materials 2a and 2b joined to the magnetostrictive material 1 are also distorted. The piezoelectric materials 2a and 2b generate a voltage corresponding to the amount of strain. Therefore, the gap length between the magnetic sensor 200 and the detection object 11 can be detected by monitoring the voltage generated in the piezoelectric materials 2a and 2b.

図１３は、第２の実施形態の磁気センサ２００が図９に示す歯車４１の回転を検出する目的に使用される場合の作用を説明する図である。なお、図１３に示す構成では、図１１に示した永久磁石５ａ、５ｂの代わりに、１つの永久磁石５が設けられている。このため、ヨーク４ａ、４ｂの形状も若干異なっている。 FIG. 13 is a diagram for explaining the operation when the magnetic sensor 200 of the second embodiment is used for the purpose of detecting the rotation of the gear 41 shown in FIG. In the configuration shown in FIG. 13, one permanent magnet 5 is provided instead of the permanent magnets 5a and 5b shown in FIG. For this reason, the shapes of the yokes 4a and 4b are also slightly different.

図１３（ａ）に示す状態では、磁気センサ２００に対向する領域に歯車４１の突起部４１ａが位置していない。この場合、磁気センサ２００と歯車４１との間のギャップ長が大きく、図１２に示した抵抗成分Ｒg が大きいので、磁気回路内の磁束密度は低い。すなわち、磁歪材料１に加わる磁界は弱い。 In the state shown in FIG. 13A, the protrusion 41 a of the gear 41 is not located in the region facing the magnetic sensor 200. In this case, since the gap length between the magnetic sensor 200 and the gear 41 is large and the resistance component Rg shown in FIG. 12 is large, the magnetic flux density in the magnetic circuit is low. That is, the magnetic field applied to the magnetostrictive material 1 is weak.

一方、図１３（ｂ）に示す状態では、磁気センサ２００に対向する領域に歯車４１の突起部４１ａが位置している。この場合、磁気センサ１００と歯車４１との間のギャップ長が小さく、図１２に示した抵抗成分Ｒg が小さいので、磁気回路内の磁束密度は高い。すなわち、磁歪材料１に加わる磁界は強い。 On the other hand, in the state shown in FIG. 13B, the protrusion 41 a of the gear 41 is located in a region facing the magnetic sensor 200. In this case, since the gap length between the magnetic sensor 100 and the gear 41 is small and the resistance component Rg shown in FIG. 12 is small, the magnetic flux density in the magnetic circuit is high. That is, the magnetic field applied to the magnetostrictive material 1 is strong.

なお、歯車４１の突起部４１ａの位置に応じて対応する電圧が発生するメカニズムは、基本的に、第１の実施形態と同じである。したがって、第２の実施形態の磁気センサ２００に発生する電圧をモニタすることにより、歯車４１の回転を検出できる。
次に、第１の実施形態の磁気センサ１００と第２の実施形態の磁気センサ２００を比較する。 The mechanism for generating the corresponding voltage according to the position of the protrusion 41a of the gear 41 is basically the same as in the first embodiment. Therefore, the rotation of the gear 41 can be detected by monitoring the voltage generated in the magnetic sensor 200 of the second embodiment.
Next, the magnetic sensor 100 of the first embodiment and the magnetic sensor 200 of the second embodiment are compared.

磁気センサ１００の磁気回路は、図３に示したように、磁歪材料１の抵抗成分Rm およびギャップの抵抗成分Ｒg が並列に設けられた構成である。ここで、ギャップの抵抗成分Ｒg は、実質的に温度に依存しないが、磁歪材料１の抵抗成分Rm は、温度に依存して変化する。このため、温度変化に起因して磁歪材料１の抵抗成分Rm が変化すると、ギャップ長が一定であっても、磁歪材料１を通過する磁束の密度が変化する。すなわち、磁歪材料１に加わる磁界の強度が変化してしまう。この結果、圧電材料２ａ、２ｂに発生する電圧も変化してしまい、検知対象物１１の位置またはその変位を正確に検知できなくなるおそれがある。 As shown in FIG. 3, the magnetic circuit of the magnetic sensor 100 has a configuration in which the resistance component Rm of the magnetostrictive material 1 and the resistance component Rg of the gap are provided in parallel. Here, the resistance component Rg of the gap does not substantially depend on the temperature, but the resistance component Rm of the magnetostrictive material 1 changes depending on the temperature. For this reason, when the resistance component Rm of the magnetostrictive material 1 changes due to a temperature change, the density of the magnetic flux passing through the magnetostrictive material 1 changes even if the gap length is constant. That is, the strength of the magnetic field applied to the magnetostrictive material 1 changes. As a result, the voltage generated in the piezoelectric materials 2a and 2b also changes, and there is a possibility that the position of the detection object 11 or its displacement cannot be detected accurately.

一方、磁気センサ２００の磁気回路は、図１２に示したように、磁歪材料１の抵抗成分Rm およびギャップの抵抗成分Ｒg が直列に設けられた構成である。ここで、磁歪材料１の抵抗成分Rm は、一般に、ギャップの抵抗成分Ｒg と比べて十分に小さい。すなわち、磁気センサ２００の磁気回路においては、ギャップの抵抗成分Ｒg が支配的である。このため、温度変化に起因して磁歪材料１の抵抗成分Rm が変化した場合であっても、磁気回路全体の抵抗成分は殆ど変化することはなく、ギャップ長が一定であれば、磁歪材料１を通過する磁束の密度も実質的に一定である。このように、磁気センサ２００を使用すれば、温度が変化する環境下であっても、温度検知対象物１１の位置またはその変位を正確に検知できる。 On the other hand, the magnetic circuit of the magnetic sensor 200 has a configuration in which the resistance component Rm of the magnetostrictive material 1 and the resistance component Rg of the gap are provided in series as shown in FIG. Here, the resistance component Rm of the magnetostrictive material 1 is generally sufficiently smaller than the resistance component Rg of the gap. That is, in the magnetic circuit of the magnetic sensor 200, the resistance component Rg of the gap is dominant. For this reason, even if the resistance component Rm of the magnetostrictive material 1 changes due to a temperature change, the resistance component of the entire magnetic circuit hardly changes. If the gap length is constant, the magnetostrictive material 1 The density of the magnetic flux passing through is also substantially constant. Thus, if the magnetic sensor 200 is used, the position of the temperature detection object 11 or its displacement can be accurately detected even in an environment where the temperature changes.

図１４は、第１および第２の磁気センサの磁歪材料中の磁束密度を比較する図である。ここで、図１４（ａ）は、第１の磁気センサの磁歪材料中の磁束密度の変化を示し、図１４（ｂ）は、第２の磁気センサの磁歪材料中の磁束密度の変化を示している。
磁歪材料の磁歪は、一般に、磁歪材料中の磁束密度に比例する。また、磁歪材料および圧電材料が互いに接合されている構成では、圧電材料に発生する電圧は、一般に、磁歪材料の磁歪に比例する。そうすると、磁気センサ１００、２００に発生する電圧は、磁歪材料１中の磁束密度に比例するといえる。 FIG. 14 is a diagram for comparing magnetic flux densities in the magnetostrictive materials of the first and second magnetic sensors. Here, FIG. 14A shows a change in magnetic flux density in the magnetostrictive material of the first magnetic sensor, and FIG. 14B shows a change in magnetic flux density in the magnetostrictive material of the second magnetic sensor. ing.
The magnetostriction of a magnetostrictive material is generally proportional to the magnetic flux density in the magnetostrictive material. In the configuration in which the magnetostrictive material and the piezoelectric material are bonded to each other, the voltage generated in the piezoelectric material is generally proportional to the magnetostriction of the magnetostrictive material. Then, it can be said that the voltage generated in the magnetic sensors 100 and 200 is proportional to the magnetic flux density in the magnetostrictive material 1.

他方、磁歪材料の比透磁率は、温度に依存して変化するとともに、磁歪材料および圧電材料の熱膨張係数の差異に起因して磁歪材料に圧縮応力が加わることによっても変化し得る。ここで、一般に、磁歪材料の透磁率が変化すると、それに応じてその磁歪材料中の磁束密度が変化する。したがって、磁気センサ１００、２００に発生する電圧は、磁歪材料中の磁束密度を介して、磁気センサ１００、２００の周囲の温度に依存する。 On the other hand, the relative magnetic permeability of the magnetostrictive material changes depending on the temperature and can also be changed by applying compressive stress to the magnetostrictive material due to the difference in thermal expansion coefficient between the magnetostrictive material and the piezoelectric material. Here, generally, when the magnetic permeability of the magnetostrictive material changes, the magnetic flux density in the magnetostrictive material changes accordingly. Therefore, the voltage generated in the magnetic sensors 100 and 200 depends on the temperature around the magnetic sensors 100 and 200 via the magnetic flux density in the magnetostrictive material.

そこで、図３に示す第１の実施形態の磁気センサ１００および図１２に示す第２の実施形態の磁気センサ２００について、磁歪材料の透磁率をパラメータとしてギャップ長と磁歪材料中の磁束密度との関係について検討する。なお、ここでは、以下のパラメータを使用する。
磁歪材料１のサイズ：８×６ｍｍ（磁化方向）
磁歪材料１の厚さ：１ｍｍ
ギャップ断面積：８×２ｍｍ
磁気センサ１００の永久磁石のサイズ：８×６（磁化方向）×２ｍｍ（ＳｍＣｏ磁石）
磁気センサ２００の永久磁石のサイズ：８×２（磁化方向）×２ｍｍ（ＳｍＣｏ磁石）
磁気センサ１００においては、図１４（ａ）に示すように、磁歪材料の透磁率が変化すると、それに伴って磁歪材料中の磁束密度も大きく変化する。また、このグラフの傾きはギャップ長に対する発生電圧の感度に相当するが、この感度も磁歪材料の透磁率に依存して変化する。このように、磁気センサ１００は、磁歪材料の透磁率の変化（すなわち、温度変化）の影響を受けやすいと考えられる。 Therefore, with respect to the magnetic sensor 100 of the first embodiment shown in FIG. 3 and the magnetic sensor 200 of the second embodiment shown in FIG. 12, the gap length and the magnetic flux density in the magnetostrictive material are set with the permeability of the magnetostrictive material as a parameter. Consider the relationship. Here, the following parameters are used.
Magnetostrictive material 1 size: 8 × 6 mm (magnetization direction)
Magnetostrictive material 1 thickness: 1 mm
Gap cross section: 8 × 2mm
The size of the permanent magnet of the magnetic sensor 100: 8 × 6 (magnetization direction) × 2 mm (SmCo magnet)
The size of the permanent magnet of the magnetic sensor 200: 8 × 2 (magnetization direction) × 2 mm (SmCo magnet)
In the magnetic sensor 100, as shown in FIG. 14A, when the magnetic permeability of the magnetostrictive material changes, the magnetic flux density in the magnetostrictive material also changes greatly. The slope of this graph corresponds to the sensitivity of the generated voltage with respect to the gap length, but this sensitivity also varies depending on the magnetic permeability of the magnetostrictive material. Thus, it is considered that the magnetic sensor 100 is easily affected by a change in magnetic permeability of the magnetostrictive material (that is, a temperature change).

一方、磁気センサ２００においては、図１４（ｂ）に示すように、磁歪材料の透磁率が変化しても、磁歪材料中の磁束密度および感度はさほど変化しない。すなわち、磁気センサ２００は、磁歪材料の透磁率の変化（すなわち、温度変化）の影響を受けにくいと考えられる。このように、第２の実施形態によれば、検出精度および感度の温度依存性を抑制できる。
＜第３の実施形態＞
第１および第２の実施形態の磁気センサは、いずれもセンサ自身が永久磁石を備え、その永久磁石に起因する磁気的な作用を利用して検知対象物の位置またはその変位を検知する構成であった。これに対して、第３の実施形態の磁気センサは、永久磁石を構成要素として有していない。 On the other hand, in the magnetic sensor 200, as shown in FIG. 14B, even if the magnetic permeability of the magnetostrictive material changes, the magnetic flux density and sensitivity in the magnetostrictive material do not change much. That is, it is considered that the magnetic sensor 200 is not easily affected by a change in magnetic permeability (that is, a temperature change) of the magnetostrictive material. Thus, according to the second embodiment, the temperature dependence of detection accuracy and sensitivity can be suppressed.
<Third Embodiment>
Each of the magnetic sensors of the first and second embodiments has a configuration in which the sensor itself includes a permanent magnet and detects the position of the detection object or its displacement using a magnetic action caused by the permanent magnet. there were. In contrast, the magnetic sensor of the third embodiment does not have a permanent magnet as a component.

図１５は、第３の実施形態の磁気センサの構成を示す図である。第３の実施形態の磁気センサ３００は、磁歪材料１、圧電材料２ａ、２ｂ、ヨーク４ａ、４ｂから構成されており、永久磁石を有していない。ただし、第３の実施形態は、検知対象物５１に永久磁石５２ａ、５２ｂが取り付けられていることを前提とする。 FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of the magnetic sensor according to the third embodiment. The magnetic sensor 300 of the third embodiment is composed of a magnetostrictive material 1, piezoelectric materials 2a and 2b, and yokes 4a and 4b, and does not have a permanent magnet. However, the third embodiment is based on the premise that the permanent magnets 52 a and 52 b are attached to the detection target 51.

そして、磁気センサ３００が検知対象物５１の近傍に配置されると、第２の実施形態の磁気センサ２００と同様に、１つの磁束ループが形成される。すなわち、永久磁石５２ａから検知対象物５１を経由して永久磁石５２ｂに至り、さらにヨーク４ｂ、磁歪材料１、ヨーク４ａを経由して永久磁石５２ａに戻る磁束ループが形成されることになる。なお、磁気センサ３００と検知対象物５１との間のギャップ長に対応する電圧が発生する原理は、基本的に、第２の実施形態と同じなので、説明を省略する。 And if the magnetic sensor 300 is arrange | positioned in the vicinity of the detection target object 51, the one magnetic flux loop will be formed like the magnetic sensor 200 of 2nd Embodiment. That is, a magnetic flux loop is formed from the permanent magnet 52a to the permanent magnet 52b via the detection target 51, and further to the permanent magnet 52a via the yoke 4b, the magnetostrictive material 1, and the yoke 4a. In addition, since the principle which the voltage corresponding to the gap length between the magnetic sensor 300 and the detection target object 51 generate | occur | produces is fundamentally the same as 2nd Embodiment, description is abbreviate | omitted.

第３の実施形態によれば、磁気センサに永久磁石を設ける必要がないので、磁気センサのさらなる小型化を図ることができる。
なお、第１〜第３の実施形態では、磁歪材料１の両面に圧電材料２ａ、２ｂが接合されているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、磁歪材料１の一方の面のみに圧電材料が接合された構成であってもよい。 According to the third embodiment, since it is not necessary to provide a permanent magnet in the magnetic sensor, the magnetic sensor can be further reduced in size.
In the first to third embodiments, the piezoelectric materials 2a and 2b are bonded to both surfaces of the magnetostrictive material 1, but the present invention is not limited to this configuration. In other words, the piezoelectric material may be bonded to only one surface of the magnetostrictive material 1.

第１の実施形態の磁気センサの斜視図である。It is a perspective view of the magnetic sensor of a 1st embodiment. 第１の実施形態の磁気センサの動作原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of operation of the magnetic sensor of a 1st embodiment. 第１の実施形態の磁気センサの磁気回路の等価回路である。It is an equivalent circuit of the magnetic circuit of the magnetic sensor of 1st Embodiment. （ａ）は、磁気センサの出力回路の例であり、（ｂ）は、測定系の機械的構成の例である。(A) is an example of the output circuit of a magnetic sensor, (b) is an example of the mechanical structure of a measurement system. ギャップ長の変化と発生電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the change of gap length, and a generated voltage. ギャップ長の変化と磁歪材料の歪との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the change of gap length, and the distortion of a magnetostrictive material. 磁気センサに発生する電圧の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the voltage which generate | occur | produces in a magnetic sensor. 磁気センサの感度のギャップ長依存性を示す図である。It is a figure which shows the gap length dependence of the sensitivity of a magnetic sensor. （ａ）は、磁気センサの具体的な使用例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す実施例における磁気センサの出力を示す図である。(A) is a figure which shows the specific usage example of a magnetic sensor, (b) is a figure which shows the output of the magnetic sensor in the Example shown to (a). 図９に示す実施例の作用を説明する図である。It is a figure explaining the effect | action of the Example shown in FIG. 第２の実施形態の磁気センサの動作原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of operation of the magnetic sensor of a 2nd embodiment. 第２の実施形態の磁気センサの磁気回路の等価回路である。It is an equivalent circuit of the magnetic circuit of the magnetic sensor of 2nd Embodiment. 第２の実施形態の磁気センサが図９に示す歯車の回転を検出する目的に使用される場合の作用を説明する図である。It is a figure explaining an effect | action in case the magnetic sensor of 2nd Embodiment is used for the purpose of detecting rotation of the gear shown in FIG. 第１および第２の磁気センサの磁歪材料中の磁束密度を比較する図である。It is a figure which compares the magnetic flux density in the magnetostrictive material of the 1st and 2nd magnetic sensor. 第３の実施形態の磁気センサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the magnetic sensor of 3rd Embodiment.

Explanation of symbols

１磁歪材料（磁歪素子）
２ａ、２ｂ圧電材料（圧電素子）
３永久磁石
４ａ、４ｂヨーク（磁性体部材）
５（５ａ、５ｂ）永久磁石
１１検知対象物
２１オペアンプ
３１励振用アクチュエータ
４１歯車
４１ａ突起部
５１検知対象物
５２ａ、５２ｂ永久磁石
１００磁気センサ（第１の実施形態）
２００磁気センサ（第２の実施形態）
３００磁気センサ（第３の実施形態）

1 Magnetostrictive material (magnetostrictive element)
2a, 2b Piezoelectric material (piezoelectric element)
3 Permanent magnet 4a, 4b Yoke (magnetic member)
5 (5a, 5b) Permanent magnet 11 Detection object 21 Operational amplifier 31 Excitation actuator 41 Gear 41a Protrusion 51 Detection object 52a, 52b Permanent magnet 100 Magnetic sensor (first embodiment)
200 Magnetic sensor (second embodiment)
300 Magnetic Sensor (Third Embodiment)

Claims

A magnetic sensor for detecting the position of an object to be detected or its displacement,
A magnetostrictive element;
A piezoelectric element joined to the magnetostrictive element;
A magnetic circuit forming a magnetic flux loop passing through the magnetostrictive element,
A magnetic sensor in which a voltage generated in the piezoelectric element displays a position of the detection object or a displacement thereof.

The magnetic sensor according to claim 1,
The magnetic circuit is
Magnets,
A first magnetic flux loop that passes through the magnetostrictive element using the magnetic flux generated by the magnet and a second magnetic flux loop that passes through the detection target using the magnetic flux generated by the magnet. Forming a magnetic member,
Have

The magnetic sensor according to claim 1,
The magnetic circuit is
Magnets,
A magnetic member for magnetically connecting the magnetostrictive element and the detection object in parallel to the magnet;
Have

The magnetic sensor according to claim 1,
The magnetic circuit is
Magnets,
A magnetic member that forms a magnetic flux loop that passes through the magnetostrictive element and the detection object using magnetic flux generated by the magnet;
Have

The magnetic sensor according to claim 1,
The magnetic circuit is
Magnets,
A magnetic member for magnetically connecting the magnetostrictive element and the detection object in series with the magnet;
Have

The magnetic sensor according to claim 1,
The magnetic circuit includes a magnetic member that forms a magnetic flux loop that passes through the magnetostrictive element using magnetic flux generated by a magnet provided on the detection target.

The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 6,
The magnetostrictive element and the piezoelectric element are joined to each other so that the magnetostrictive element is sandwiched between the piezoelectric elements.