JP4736210B2 - センサ - Google Patents

Description

【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、基体に対して少なくとも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固定し、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おいて前記基体に対して磁気感応素子を固定し、前記磁場に影響を与える材料からなる検出対象物の前記基体に対する位置の変化により生じた前記基体に対する前記磁場の変化を前記磁気感応素子によって検出することにより同検出対象物の前記基体に対する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、基体に対して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、基体に対する検出対象物の位置変化に対し大きく変化するため、同検出対象物の前記基体に対する位置、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１３，１５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１６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２０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ＧＭＲ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１６ａ，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２０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，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，１６ｂ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１２，１３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、ＧＭＲ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、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、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，１６ｂ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１２〜１５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２０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１６−２（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１６，１６−２，１７，１７−１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ＧＭＲ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４５，４６は、弦ST１〜ST６の位置を検出し、これにより同弦ST１〜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１１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２０（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１２〜１５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Ｖout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２５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Ｓｐ、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１０，３０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、ＧＭＲ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，１６ｂ…ＧＭＲ素子、２０〜２３…検出対象物、３０…センサ、３１…基体、３２〜３５…ヨーク、３２ａ〜３５ａ…ポールピース、３６，３７…永久磁石、３８…磁気センサ。

Claims (9)

1. 基体に対して少なくとも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固定し、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おいて前記基体に対して磁気感応素子を固定し、前記磁場に影響を与える材料からなる検出対象物の前記基体に対する位置の変化により生じた前記基体に対する前記磁場の変化を前記磁気感応素子によって検出することにより同検出対象物の前記基体に対する位置に応じた値を出力するセンサ。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
9. 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、
   前記検出対象物の形状が球状、板状、又は棒状のいずれかであるセンサ。

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