JP6019227B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、粘弾性エラストマ、磁場印加手段及び磁場検出手段を有するセンサ装置に関する。詳細には、印加される磁場の強さに応じて弾性率が変化する磁気粘弾性エラストマを備え、印加される磁場に応じて測定範囲を可変としたセンサ装置に関する。

感圧センサ（荷重センサ）として、粘弾性エラストマと、粘弾性エラストマの一側に設けられた永久磁石と、粘弾性エラストマの他側に設けられたホール素子とを備えたものがある（例えば、特許文献１）。この感圧センサは、圧力（荷重）が加えられたときに、粘弾性エラストマが変形し、永久磁石とホール素子との相対位置が変化するため、ホール素子の検出値に基づいて弾性エラストマに加えられた圧力を検出することができる。この感圧センサは、弾性エラストマの変形特性によって圧力の検出範囲及び検出精度が定まる。例えば、弾性率が低い粘弾性エラストマを使用すると、小さな圧力で粘弾性エラストマが大きく変形するため検出精度（検出感度）は高くなるが、小さな圧力で粘弾性エラストマの変形限界に達するため検出範囲は狭くなる。逆に、弾性率が高い粘弾性エラストマを使用すると、粘弾性エラストマの変形限界に達し難くなるため検出範囲は広くなるが、圧力に応じた粘弾性エラストマの変形量が小さくなるため検出精度は低くなる。

ところで、粘弾性エラストマには、磁場の作用により磁気分極する磁性粒子を内部に分散させ、外部から印加する磁場の強さを変化させることによって、粘弾性エラストマの弾性率を変化させるようにした磁気粘弾性エラストマがある（例えば、特許文献２）。

特開昭６２−４６２２２号公報 特開平４−２６６９７０号公報

特許文献１のような感圧センサにおいて、検出精度及び検出範囲を可変にし、様々な測定対象に適したセンサ装置を実現したいという要求がある。そこで、本願出願人らは、内部に磁性粒子が分散され、外部から印加する磁場の強さを変化させることによって、弾性率を変化可能な磁気粘弾性エラストマを用いてセンサ装置を構成することを想起するに到った。このように構成すると、センサ装置に加わる荷重が大きい場合には、印加する磁場を強くして磁気粘弾性エラストマの弾性率を高くし、検出範囲を広くすることができる。また、センサ装置に加わる荷重が小さい場合には、印加する磁場を弱くして磁気粘弾性エラストマの弾性率を低くし、検出精度を高くすることができる。しかしながら、このようにセンサ装置を構成した場合、ホール素子等の磁気検出手段が検出する磁場は、磁気粘弾性エラストマの変形に応じて変化すると共に、磁場印加手段が印加する磁場の強さに応じて変化するため、磁気検出手段が検出する磁場の強さから磁気粘弾性エラストマの変形量や、磁気粘弾性エラストマに加わる荷重を単純に演算することができないという問題がある。また、磁気粘弾性エラストマ、磁場印加手段、及び磁気検出手段を１つのセンサとして組み合わせる際に、各要素のレイアウトが問題となる。

本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであって、粘弾性エラストマの変形を利用したセンサ装置において、検出範囲及び検出精度を可変にすることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、導電性の磁性粒子（１５）が内部に分散され、印加される磁場の強さに応じて弾性率が変化すると共に、変形に伴って所定の方向における電気抵抗値が変化する磁気粘弾性エラストマ（２）と、前記磁気粘弾性エラストマに磁場を印加すると共に、印加する磁場の強さを変更可能な磁場印加手段（５、６）と、前記磁気粘弾性エラストマの電気抵抗を検出する抵抗検出手段（３５）と、前記抵抗検出手段の検出値と、前記磁場印加手段が印加する磁場の強さとに基づいて、前記磁気粘弾性エラストマに加わる荷重を演算する演算手段（１０）とを有し、前記演算手段は、前記磁場印加手段が印加する磁場が強いほど、前記抵抗検出手段の検出値に対応して演算される前記荷重の値を大きくすることを特徴とする。

この構成によれば、磁場印加手段が印加する磁場の強さに応じて検出範囲及び検出精度を変更するセンサ装置を提供することができる。センサ装置では、磁気粘弾性エラストマ内に導電性を有する磁性粒子が分散されているため、磁気粘弾性エラストマの変形に応じて磁性粒子同士が近接又は離間する。そのため、磁気粘弾性エラストマの電気抵抗値に基づいて磁気粘弾性エラストマに加わる荷重を検出することができる。また、導電性を有する磁性粒子は、磁場印加手段が印加する磁場の強さに応じて、互いに磁気的結合を形成するため、磁気粘弾性エラストマの弾性率及び電気抵抗値を変化させることができる。センサ装置の演算手段は、磁気粘弾性エラストマに加わる荷重を演算する際に、抵抗検出手段が検出した磁気粘弾性エラストマの抵抗値に加えて、磁場印加手段が印加する磁場の強さを考慮する。そのため、磁場によって変化する磁気粘弾性エラストマの弾性率を考慮し、磁気粘弾性エラストマの抵抗値から磁気粘弾性エラストマに加わる荷重を演算することができる。また、磁場印加手段が印加する磁場の強さ及び抵抗検出手段の検出値から磁気粘弾性エラストマに加わる荷重を演算することができる。磁場印加手段が印加する磁場の強さが大きいほど、磁気粘弾性エラストマの弾性率が高くなり、荷重に対する磁気粘弾性エラストマの変形量が小さくなる。そのため、磁場印加手段が印加する磁場が強いほど、抵抗検出手段の検出値に対応して演算される荷重の値を大きくすることで、荷重を適切に演算することができる。

また、上記の発明において、前記抵抗検出手段は、第１の方向と直交し、前記磁気粘弾性エラストマを挟むように配置された一対の電極（８、９）を有し、前記一対の電極間に通電することによって前記磁気粘弾性エラストマの電気抵抗を取得し、前記演算手段は、前記電気抵抗が減少方向に変化したときに前記磁気粘弾性エラストマが前記第１の方向に沿った圧縮方向に変形していると判断し、前記電気抵抗が増加方向に変化したときに前記磁気粘弾性エラストマが前記第１の方向に沿った引張方向に変形している、又は前記磁気粘弾性エラストマが前記第１の方向と直交する平面に沿ったせん断方向に変形していると判断するとよい。

この構成によれば、センサ装置は、加わる荷重の方向を検出することができる。磁気粘弾性エラストマが第１の方向に沿って圧縮変形するときに、導電性を有する磁性粒子は、第１方向に沿って互いに近接し、互いに接触して導電経路を形成するため、磁気粘弾性エラストマの電気抵抗が低下する。一方、磁気粘弾性エラストマが第１の方向に沿って引張変形するときに、導電性を有する磁性粒子は、第１方向に沿って互いに離れ、導電経路が伸張又は切断されるため、磁気粘弾性エラストマの電気抵抗が増加する。また、磁気粘弾性エラストマが第１の方向と直交するせん断方向に沿って変形するときには、導電性を有する磁性粒子は、第１方向に沿って互いに離れ、導電経路が伸張又は切断されるため、磁気粘弾性エラストマの電気抵抗が増加する。このように荷重の方向によって電気抵抗の増減が異なるため、センサ装置は、抵抗検出手段が検出する抵抗値に基づいて、変形方向及び荷重の方向を検出することができる。

また、上記の発明において、前記磁気粘弾性エラストマの前記せん断方向への変形を規制する規制部材（５１）を更に有するとよい。

この構成によれば、磁気粘弾性エラストマのせん断方向への変形が発生しなくなるため、磁気粘弾性エラストマの電気抵抗が増加するときには、磁気粘弾性エラストマが第１の方向に沿った引張方向に変形していると判断することができる。

また、上記の発明において、前記磁気粘弾性エラストマ内に配置された磁場検出手段（６１）を更に有し、前記磁場印加手段は、当該磁場印加手段から出る磁力線が前記第１の方向に沿うように配置され、前記演算手段は、前記磁場検出手段の検出値と前記磁場印加手段が印加する磁場の強さとに基づいて、前記磁気粘弾性エラストマの前記第１の方向と直交する方向へのせん断変形を検出するとよい。

この構成によれば、せん断方向への荷重が加わったときには、磁気粘弾性エラストマが変形して磁場検出手段がせん断方向に移動するため、磁場印加手段との相対位置がせん断方向にずれ、検出する磁場の強さが変化する。そのため、磁場検出手段の検出値に基づいて、センサ装置１に加わる荷重がせん断方向への荷重であるか否かを判断することができる。

また、上記の発明において、前記抵抗検出手段の検出値の変化量が大きいほど、前記磁場印加手段が印加する磁場を強くするとよい。

この構成によれば、抵抗検出手段が検出する抵抗値の変化量が大きいほど、磁気粘弾性エラストマの変形量が大きいため、磁場印加手段が印加する磁場を強くすることで磁気粘弾性エラストマの弾性率を高くし、磁気粘弾性エラストマの変形を抑制し、検出範囲を広くすることができる。

また、上記の発明において、前記演算手段によって演算された前記磁気粘弾性エラストマの変形量又は変形速度が大きいほど、前記磁場印加手段が印加する磁場を強くするとよい。

この構成によれば、磁気粘弾性エラストマの変形量が大きいほど、磁場印加手段が印加する磁場を強くすることで磁気粘弾性エラストマの弾性率を高くし、磁気粘弾性エラストマの変形を抑制し、検出範囲を広くすることができる。

また、上記の発明において、前記磁気粘弾性エラストマは、第１部材（３１）と第２部材（３２）との間に介装され、当該センサ装置は、前記演算手段によって演算された前記磁気粘弾性エラストマに加わる荷重、又は前記磁気粘弾性エラストマの振動数に基づいて前記磁場印加手段を制御し、前記磁気粘弾性エラストマの弾性率を変化させ、前記第１部材及び前記第２部材間で伝達される荷重又は振動を変化させるとよい。

この構成によれば、センサ装置は、第１部材及び第２部材の間で、伝達される荷重や振動等を測定すると共に、磁気粘弾性エラストマの弾性率を変化させることによって、振動や荷重を抑制するアクチュエータとして機能することができる。すなわち、センサ装置は、センサとしての機能とアクチュエータとしての機能とを併せ持つ装置として構成される。

また、上記の発明において、前記磁場印加手段は電磁石（５、６）であるとよい。

この構成によれば、簡素な構成でセンサ装置を構成することができる。

本発明の他の側面は、磁性粒子（１１５）が内部に分散され、印加される磁場の強さに応じて弾性率が変化する磁気粘弾性エラストマ（１０２）と、前記磁気粘弾性エラストマに磁場を印加すると共に、印加する磁場の強さを変更可能な磁場印加手段（１０５、１０６）と、前記磁気粘弾性エラストマに支持され、前記磁気粘弾性エラストマの変形に応じて前記磁場印加手段に対する相対位置が変化する磁場検出手段（１０７）と、前記磁場検出手段が検出した磁場の強さと、前記磁場印加手段が印加する磁場の強さとに基づいて、前記磁気粘弾性エラストマの変形状態、及び前記磁気粘弾性エラストマに加わる荷重の少なくとも１つを演算する演算手段（１１０）とを有することを特徴とする。ここで、磁気粘弾性エラストマの変形状態とは、磁気粘弾性エラストマの変形量、変形速度、振動数等を含むものとする。

この構成によれば、磁場印加手段が印加する磁場の強さに応じて検出範囲及び検出精度を変更するセンサ装置を提供することができる。センサ装置の演算手段は、磁気粘弾性エラストマの変形状態、及び磁気粘弾性エラストマに加わる荷重の少なくとも１つを演算する際に、磁場検出手段が検出した磁場の強さに加えて、磁場印加手段が印加する磁場の強さを考慮する。そのため、磁場印加手段が磁気粘弾性エラストマの弾性率を変化させるために印加する磁場の強さを変化させても、磁場検出手段が検出した磁場の強さから磁場印加手段による影響を除いて磁気粘弾性エラストマの変形状態、及び磁気粘弾性エラストマに加わる荷重の少なくとも１つを演算することができる。

また、上記の発明において、前記演算手段は、前記磁場印加手段が印加する磁場が強いほど、前記磁場検出手段の検出値に対応して演算される前記荷重の値を大きくするとよい。

この構成によれば、磁場印加手段が印加する磁場の強さ及び磁場検出手段の検出値から磁気粘弾性エラストマに加わる荷重を演算することができる。磁場印加手段が印加する磁場の強さが大きいほど、磁気粘弾性エラストマの弾性率が高くなり、荷重に対する磁気粘弾性エラストマの変形量が小さくなるため、磁場印加手段が印加する磁場が強いほど、磁場検出手段の検出値に対応して演算される荷重の値を大きくすることで、荷重を適切に演算することができる。

また、上記の発明において、前記磁場検出手段が検出する磁場の強さの変化量が大きいほど、前記磁場印加手段が印加する磁場を強くするとよい。

この構成によれば、磁場検出手段が検出する磁場の強さの変化量が大きいほど、磁気粘弾性エラストマの変形量が大きいため、磁場印加手段が印加する磁場を強くすることで磁気粘弾性エラストマの弾性率を高くし、磁気粘弾性エラストマの変形を抑制し、検出範囲を広くすることができる。

また、上記の発明において、前記演算手段によって演算された前記磁気粘弾性エラストマの変形量の大きさ又は変形速度が大きいほど、前記磁場印加手段が印加する磁場の強さを大きくするとよい。

この構成によれば、磁気粘弾性エラストマの変形量又は変形速度が大きいほど、磁場印加手段が印加する磁場を強くすることで磁気粘弾性エラストマの弾性率を高くし、磁気粘弾性エラストマの変形を抑制し、検出範囲を広くすることができる。

また、上記の発明において、前記磁気粘弾性エラストマは、第１部材（１３１）と第２部材（１３２）との間に介装され、前記演算手段は、当該演算手段によって演算された前記磁気粘弾性エラストマに加わる荷重、前記磁気粘弾性エラストマの変形量及び変化速度の少なくとも１つに基づいて前記磁場印加手段を制御し、前記磁気粘弾性エラストマの弾性率を変化させ、前記第１部材及び前記第２部材間で伝達される荷重又は振動を変化させるとよい。

この構成によれば、センサ装置は、第１部材及び第２部材の間で、伝達される荷重や振動等を測定すると共に、磁気粘弾性エラストマの弾性率を変化させることによって、振動や荷重を抑制するアクチュエータとして機能することができる。すなわち、センサ装置は、センサとしての機能とアクチュエータとしての機能とを併せ持つ装置として構成される。

また、上記の発明において、前記磁場印加手段は電磁石（１０５、１０６）であり、前記磁場検出手段は、前記磁気粘弾性エラストマ内に支持されたホール素子（１０７）であるとよい。

この構成によれば、簡素な構成でセンサ装置を構成することができる。

また、上記の発明において、前記電磁石と前記ホール素子との間の前記磁気粘弾性エラストマ内に配置され、前記電磁石から前記ホール素子に向う磁力線の少なくとも一部を阻害する非磁性部材（１５１）を更に有し、前記磁気粘弾性エラストマの変形に応じて前記非磁性部材と前記ホール素子との相対位置が変化する。

この構成によれば、非磁性部材が電磁石からホール素子に向う磁力線の少なくとも一部を阻害するように配置されているため、磁気粘弾性エラストマが変化した際に、非磁性部材とホール素子との相対位置が変化し、非磁性部材がホール素子を覆う面積が変化する。そのため、磁気粘弾性エラストマが変化したときに、ホール素子が検出する磁場の変化量が大きくなり、センサ装置の検出精度が向上する。

以上の構成によれば、粘弾性エラストマの変形を利用したセンサ装置において、検出範囲及び検出精度を可変にすることができる。

第１実施形態に係るセンサ装置を示す構成図 第１実施形態に係るセンサ装置に荷重が加わった状態を示す図 第１実施形態に係るセンサ装置における印加磁場、荷重、及び変形量の関係を示すグラフ 第２実施形態に係るセンサ装置を示す構成図 第３実施形態に係るセンサ装置を示す構成図 第４実施形態に係るセンサ装置を示す構成図 第５実施形態に係るセンサ装置を示す構成図 第５実施形態に係るセンサ装置に荷重が加わった状態を示す図 第６実施形態に係るセンサ装置を示す構成図 第７実施形態に係るセンサ装置を示す構成図

以下、図面を参照して、本発明のセンサ装置の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るセンサ装置を示す構成図であり、図２は第１実施形態に係るセンサ装置に荷重が加わった状態を示す図である。図１及び図２に示すように、センサ装置１は、磁気粘弾性エラストマ２と、磁気粘弾性エラストマ２を挟持するように設けられた第１電極板８及び第２電極板９と、第１電極板８の外面側に設けられた第１プレート３と、第２電極板９の外面側に設けられた第２プレート４と、第１プレート３及び第２プレート４のそれぞれに設けられた磁場印加手段としての第１電磁石５及び第２電磁石６と、制御装置１０とを有している。

磁気粘弾性エラストマ２は、マトリックスとしての粘弾性を有する基質エラストマ１４と、基質エラストマ１４内に分散された磁性粒子１５とを有する。基質エラストマ１４は、例えば、エチレン−プロピレンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、シリコンゴム等の室温で粘弾性を有する公知の高分子材料であってよい。また、磁気粘弾性エラストマ２は、電気抵抗率が高い材料から形成されていることが好ましく、電気絶縁性であることが好ましい。基質エラストマ１４は、所定の中心軸線Ａを有し、一側の外面に軸線Ａに直交する第１主面１７を有し、第１主面１７と相反する側に、第１主面１７と平行に形成された第２主面１８とを有している。基質エラストマ１４は、任意の形状に形成することができ、例えば直方体や円柱形とすることができる。第１主面１７及び第２主面１８は、基質エラストマ１４が直方体の場合には互いに相反する一対の外面であり、基質エラストマ１４が円柱形の場合には、軸線に直交する両端面とすることができる。

磁性粒子１５は、磁場の作用によって磁気分極する性質を有すると共に、導電性を有するものであり、例えば、純鉄、電磁軟鉄、方向性ケイ素鋼、Ｍｎ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、マグネタイト、コバルト、ニッケル等の金属、４−メトキシベンジリデン−４−アセトキシアニリン、トリアミノベンゼン重合体等の有機物、フェライト分散異方性プラスチック等の有機・無機複合体等の公知の材料から形成された粒子である。磁性粒子１５の形状は、特に限定はなく、例えば球形、針形、平板形等であってよい。磁性粒子１５の粒径は、特に限定はなく、例えば０．０１μｍ〜５００μｍ程度であってよい。

磁性粒子１５は、基質エラストマ１４内において、磁場が印加されていない状態においては互いの相互作用が小さく、磁場が印加された状態においては磁気相互作用によって互いに作用する引力が増大するようになっている。例えば、磁性粒子１５は、基質エラストマ１４内において、磁場が印加されていない状態においては接触部位が少なく、磁場が印加された状態においては磁気的結合によって互いの接触部位が増大し得る様に分散されている。また、磁性粒子１５は、磁場が印加されていない状態においては、基質エラストマ１４内において互いに接触しない程度に分散されていてもよいし、一部が接触して連続するように分散されていてもよい。磁性粒子１５の基質エラストマ１４に対する割合は、任意に設定可能であるが、例えば体積分率で５％〜６０％程度であってよい。磁性粒子１５の基質エラストマ１４に対する分散状態は、基質エラストマ１４の各部において均一にしてもよいし、一部に密度差を設けてもよい。

第１電極板８及び第２電極板９は、それぞれ板状の電極である。第１電極板８は主面が磁気粘弾性エラストマ２の第１主面１７に接合され、第２電極板９は主面が磁気粘弾性エラストマ２の第２主面１８に接着等によって接合されている。これにより、第１電極板８及び第２電極板９は、磁気粘弾性エラストマ２を挟持するように配置されている。

第１プレート３及び第２プレート４は、非磁性材から形成されている。第１プレート３は第１電極板８の外面側に接合され、第２プレート４は第２電極板９の外面側に接合されている。これにより、第１プレート３及び第２プレート４は、磁気粘弾性エラストマ２を挟持する第１電極板８及び第２電極板９を挟持するように配置されている。すなわち、軸線Ａ方向に沿って、第１プレート３、第１電極板８、磁気粘弾性エラストマ２、第２電極板９、第２プレート４が記載の順序で積層構造を形成している。

第１電磁石５及び第２電磁石６は、それぞれ、鉄心２１と、鉄心２１の外周面に巻き回されたコイル２２とを有する。各電磁石５、６は、コイル２２の軸線が第１プレート３及び第２プレート４の主面に直交するように、第１プレート３及び第２プレート４内の中央に配置されている。各電磁石５、６は、コイル２２の軸線が磁気粘弾性エラストマ２の軸線Ａと一致するように配置されている。本実施形態では、第１プレート３及び第２プレート４は樹脂を成形したものであり、各電磁石５、６は各プレート３、４を成形する際に内部にインサートされ、各プレート３、４内に埋め込まれている。他の実施形態では、各プレート３、４を中空のケース状に形成し、各電磁石５、６を後でケース内に配置する構成としてもよい。各電磁石５、６のコイル２２に接続される配線は、各プレート３、４から外部に引き出されている。

各電磁石５、６に通電することによって、磁場が発生し、磁気粘弾性エラストマ２に磁場が印加される。磁場は、磁力線（図１中の破線参照）が第１プレート３の第１電磁石５から第２プレート４の第２電磁石６に向かうように生成される。各電磁石５、６から発生する磁場（印加磁場Ｂｉ）は、各電磁石に流れる電流Ｉｉに応じて変化し、電流が大きくなるほど磁場（磁束密度）は大きくなる。

各電磁石５、６に通電することによって磁気粘弾性エラストマ２に磁場が印加されると、磁場の強さに応じて磁性粒子１５は分極し、磁気的結合を形成する。磁性粒子１５は、例えば連鎖的に結合して網目構造を形成する等によって、磁気粘弾性エラストマ２の弾性率が基質エラストマ１４単独の弾性率（剛性）よりも増大する。磁気粘弾性エラストマ２に印加される磁場が強いほど、磁性粒子１５間の磁気的結合が増大し、磁気粘弾性エラストマ２の弾性率が増大する。各電磁石５、６によって磁気粘弾性エラストマ２に印加される磁場（印加磁場Ｂｉ）が強いほど、すなわち各電磁石５、６に供給される電流（Ｉｉ）が大きいほど、磁気粘弾性エラストマ２の弾性率は増大し、磁気粘弾性エラストマ２は荷重Ｆに対して変形し難くなる。

また、磁気粘弾性エラストマ２に磁場が印加されると、磁場の強さに応じて磁性粒子１５は磁気的結合を形成して、網目構造（鎖状構造）を形成する。この磁性粒子１５による網目構造は、導電経路となるため磁気粘弾性エラストマ２の電気抵抗Ｒが低下する。印加磁場Ｂｉが強くなるほど、磁性粒子１５による磁気的結合が促進され、磁気粘弾性エラストマ２の電気抵抗Ｒは低下する。

センサ装置１は、第１プレート３が基台３１に固定され、第２プレート４が測定対象体３２に固定される。センサ装置１は、測定対象体３２から第２プレート４にせん断方向（軸線Ａに直交する平面に沿った方向）への荷重Ｆが入力されたとき（図２参照）の、荷重Ｆの大きさや、磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘを検出する。また、荷重Ｆの大きさや変形量Ｘに関連する荷重Ｆの大きさの変化速度（変化率）、磁気粘弾性エラストマ２の変形速度Ｖ、磁気粘弾性エラストマ２の振動数を検出する。

制御装置１０は、マイクロプロセッサや、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスや組み込み電子デバイスとして構成されている。制御装置１０は、各電磁石５、６及び各電極板８、９に接続されている。制御装置１０は、各電磁石５、６に電力を供給し、供給する電流Ｉｉを変化させることによって、各電磁石５、６が生じる磁場の強さ（磁束密度）を変化させる。制御装置１０が各電磁石５、６に供給する電流Ｉｉの大きさは、複数段階に設定可能であってもよいし、連続的に設定可能であってもよい。本実施形態では、制御装置１０は、小、中、大の３段階に電流Ｉｉを変更可能であり、これらの電流に応じて各電磁石５、６が発生する磁場（印加磁場Ｂｉ）の強さは弱、中、強の３段階に変更される。制御装置１０は、各電磁石５、６に供給する電流Ｉｉを連続的に変化させることができる場合には、各電磁石５、６に供給する電流Ｉｉから各電磁石５、６が発生する磁場（印加磁場Ｂｉ）を演算するとよい。

制御装置１０は、第１電極板８、磁気粘弾性エラストマ２、第２電極板９からなる電気回路に電力を供給する。また、制御装置１０は、第１電極板８及び第２電極板９間の電気抵抗を測定する抵抗検出手段としての抵抗検出回路３５を備えている。抵抗検出回路３５は、第１電極板８及び第２電極板９間の電気抵抗、すなわち磁気粘弾性エラストマ２の電気抵抗Ｒを測定する。

また、制御装置１０は、電気抵抗Ｒと、印加磁場Ｂｉとに基づいて所定のマップを参照し、磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘや磁気粘弾性エラストマ２に加えられた荷重Ｆ、磁気粘弾性エラストマ２に生じている振動数νを演算する。なお、制御装置１０は、磁気粘弾性エラストマ２の変形量等の演算時に、印加磁場Ｂｉに代えて、印加磁場Ｂｉに対応した各電磁石５、６に供給する電流Ｉｉを使用してもよい。

図３は、第１実施形態に係るセンサ装置１の印加磁場、荷重、及び変形量の関係を示すグラフであり、印加磁場Ｂｉに応じた荷重Ｆに対する磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘの関係を示すグラフである。印加磁場Ｂｉが変化すると、磁性粒子１５の磁気的結合の程度が変化するため、磁気粘弾性エラストマ２の弾性率が変化する。印加磁場Ｂｉが強くなると、磁性粒子１５の磁気的結合が増大するため、磁気粘弾性エラストマ２の弾性率は大きくなる。そのため、図３に示すように、印加磁場Ｂｉが強くなるにつれて、所定の荷重Ｆに対する磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘは小さくなる。そのため、印加磁場Ｂｉが弱いほど、磁気粘弾性エラストマ２は、小さな荷重Ｆで変形限界値Ｘ１に到達し易くなる。ここで変形限界値Ｘ１とは、この値を超えて変形量Ｘが大きくなると荷重Ｆに対する変形量Ｘの線形性が成立しなくなる値をいう。センサ装置１は、磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘが変形限界値Ｘ１以内の範囲で動作することが好ましい。

磁気粘弾性エラストマ２は、変形が生じていないときの電気抵抗Ｒを初期抵抗Ｒｉ（Ｒｉ１、Ｒｉ２、Ｒｉ３、後述するが初期抵抗Ｒｉは印加磁場Ｂｉに応じて変化する）とする。磁気粘弾性エラストマ２は、軸線Ａに沿った方向に圧縮変形するときには、内部に分散された磁性粒子１５同士が互いに近接して導電経路を形成するため、電気抵抗Ｒは初期抵抗Ｒｉより低下する。圧縮方向への変形量Ｘが大きいほど、磁性粒子１５同士は互いに一層近接して網目構造や鎖状構造の導電経路がより多く形成されるため、電気抵抗Ｒは一層低下する。一方、磁気粘弾性エラストマ２は、軸線Ａに沿った方向に引張変形するときには、内部に分散された磁性粒子１５同士が互いに離間して導電経路が伸張又は切断されるため、電気抵抗Ｒは初期抵抗Ｒｉより増加する。同様に、磁気粘弾性エラストマ２は、軸線Ａと直交する平面に沿ったせん断方向に変形するときにも、内部に分散された磁性粒子１５同士が互いに離間して導電経路が伸張又は切断されるため、電気抵抗Ｒは初期抵抗Ｒｉより増加する。引張方向への変形量Ｘ及びせん断方向への変形量Ｘが大きいほど、磁性粒子１５同士は互いに一層離間して導電経路が切断されるため、電気抵抗Ｒは一層増加する。このように、磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘが０の初期状態から、電気抵抗Ｒが初期抵抗Ｒｉより低下すると軸線Ａに沿った圧縮変形が生じている（すなわち、圧縮荷重が加わっている）と判断でき、電気抵抗Ｒが初期抵抗Ｒｉより増加すると軸線Ａに沿った引張変形が生じている（すなわち、引張荷重が加わっている）、又はせん断方向に変形が生じている（すなわち、せん断荷重が加わっている）と判断することができる。

本実施形態では、印加磁場Ｂｉは弱、中、強の３段階で変更可能としたため、この３段階について、制御装置１０は、電気抵抗Ｒと磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘとの関係を予め定めた変形量マップを有している。制御装置１０は、印加磁場Ｂｉと電気抵抗Ｒとに基づいて、変形量マップを参照することで磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘを演算する。変形量マップは、例えば、軸線Ａ方向への圧縮変形に対応して、電気抵抗Ｒが初期値より低下するほど変形量Ｘが大きくなるように設定すると共に、軸線Ａ方向への引張変形及びせん断方向への変形に対応して、電気抵抗Ｒが初期値より増加するほど変形量Ｘが大きくなるように設定するとよい。

図３に示すように、磁気粘弾性エラストマ２に加わる荷重Ｆは、磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘと印加磁場Ｂｉの強さとに相関がある。本実施形態では、印加磁場Ｂｉは弱、中、強の３段階で設定可能としたため、この３パターンについて、制御装置１０は、磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘと磁気粘弾性エラストマ２に加わる荷重Ｆの関係を予め定めた荷重マップを有している。制御装置１０は、印加磁場Ｂｉと磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘとに基づいて、荷重マップを参照することで磁気粘弾性エラストマ２に加わる荷重Ｆを演算する。荷重マップは、例えば、変形量Ｘが大きくなるほど荷重Ｆが増加し、印加磁場Ｂｉが大きくなるほど変形量Ｘに基づく荷重Ｆが大きくなるように定めるとよい。

制御装置１０は、以上のように演算した変形量Ｘを微分することによって、磁気粘弾性エラストマ２の変形速度Ｖを得ることができ、変形速度Ｖに基づいて磁気粘弾性エラストマ２の振動数νを得ることができる。また、制御装置１０は、荷重Ｆに基づいて荷重Ｆの変化速度や荷重Ｆの振動数を得ることができる。

また、制御装置１０は、磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘに基づいて、印加磁場Ｂｉを調整する。例えば、制御装置１０は、変形量Ｘが大きい場合には、各電磁石５、６に供給する電流Ｉｉを増大させ、印加磁場Ｂｉを強くし、磁気粘弾性エラストマ２の弾性率を増大させる。これにより、変形量Ｘが変形限界値Ｘ１に到達し難くなり、より大きな荷重Ｆを測定可能になる。すなわち、センサ装置１の検出範囲（測定範囲）が広くなる。また、制御装置１０は、変形量Ｘが小さい場合には、印加磁場Ｂｉを弱くして磁気粘弾性エラストマ２の弾性率を低下させる。これにより、荷重Ｆが小さい場合にも磁気粘弾性エラストマ２はより大きく変形するようになるため、荷重Ｆに対する検出磁場Ｂｄの変化量が大きくなり、検出精度（感度）が向上する。このように、センサ装置１は、磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘ及び加わる荷重Ｆに対応して、検出範囲及び検出感度を変化させることができる。

センサ装置１の検出範囲及び検出感度の調整は、磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘに代えて、磁気粘弾性エラストマ２の変形速度Ｖや、電気抵抗Ｒの変化量又は変化速度に基づいて行ってもよい。磁気粘弾性エラストマ２の変形速度Ｖが大きくなるほど、又は電気抵抗Ｒの変化量（変化速度）が大きくなるほど、印加磁場Ｂｉを強くして磁気粘弾性エラストマ２の弾性率を増大させるとよい。

以上のように構成したセンサ装置１は、演算した荷重Ｆや、荷重Ｆの変化速度から演算した振動数νに基づいて磁気粘弾性エラストマ２の弾性率を変化させることによって、測定対象体３２の振動を低減するアクチュエータとして機能することができる。例えば、磁気粘弾性エラストマ２の弾性率を変化させることによって、基台３１、センサ装置１、測定対象体３２からなる振動系のばね定数を変化させ、振動系の固有振動数を変化させることによって振動系の振動を低減することができる。その際、センサ装置１は、センサ装置１が検出した振動数νに基づいて、振動数νを低下させる方向に磁気粘弾性エラストマ２の弾性率を変化させるとよい。

以上のように構成したセンサ装置１は、センサとしての機能と、アクチュエータとしての機能とを有する。通常、アクチュエータとセンサとは独立した要素によって構成されるが、磁気粘弾性エラストマ２及び各電磁石５、６はセンサ及びアクチュエータに共通の要素として用いられるため、センサ装置１の部品点数を削減することができると共に、センサ装置１をコンパクトに構成することができる。

また、センサ装置１は、磁気粘弾性エラストマ２を主な要素として有するため、従来、粘弾性エラストマを緩衝材（ショックアブソーバ）として使用している箇所への組み込み及び置換に適している。

以上のように構成したセンサ装置１は、例えば車両の車体骨格と内燃機関との間に介装されるエンジンマウントや、サスペンションアームと車輪を支持するナックルとの間に介装されるブッシュとして適用することができる。例えば、基台３１に車体骨格やサスペンションアームを適用し、測定対象体３２に内燃機関やナックルを適用するとよい。センサ装置１をエンジンマウントとして構成した場合には、センサ装置１は内燃機関の振動を検出し、内燃機関の振動を抑制するように、磁気粘弾性エラストマ２の弾性率を変化させるとよい。センサ装置１を筒状のブッシュに適用する場合には、磁気粘弾性エラストマ２を筒状に形成し、第１プレート３を筒状に形成して磁気粘弾性エラストマ２の外周面に外筒として配置し、第２プレート４を筒状に形成して磁気粘弾性エラストマ２の内周面に内筒として配置することができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係るセンサ装置５０を示す構成図である。第２実施形態に係るセンサ装置５０は、ストッパ５１を更に有する点が第１実施形態に係るセンサ装置１と異なり、他の構成は同様である。以下の第２実施形態に係るセンサ装置５０について、第１実施形態に係るセンサ装置１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図４に示すように、センサ装置１は、第１プレート３の側部にストッパ５１を有している。ストッパ５１は、第１プレート３の側部に接合され、軸線Ａと平行に延び、第２プレート４の側部に摺接している。これにより、第２プレート４は、第１プレート３に対して、軸線Ａ方向に変位可能である一方、軸線Ａと直交する平面に沿ったせん断方向への変位が規制されている。

この構成によれば、センサ装置１は、せん断方向への変形が規制されているため、電気抵抗Ｒが初期抵抗Ｒｉより大きい場合には、引張方向に磁気粘弾性エラストマ２が変形している（引張方向に荷重Ｆが加わっている）と判断することができる。すなわち、磁気粘弾性エラストマ２の変形方向を圧縮方向又は引張方向に規制することによって、変形の方向を確定することができる。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係るセンサ装置６０を示す構成図である。第３実施形態に係るセンサ装置６０は、磁気検出手段としてのホール素子６１を更に有する点が第１実施形態に係るセンサ装置１と異なり、他の構成は同様である。以下の第３実施形態に係るセンサ装置６０について、第１実施形態に係るセンサ装置１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

ホール素子６１は、ホール効果を利用して磁場（磁界）を検出する公知の磁気センサである。ホール素子６１は、薄膜状の半導体であり、主面に沿った第１の方向に沿って制御電流Ｉｃを入力するための端子を有し、主面に沿い、かつ第１の方向に直交する第２の方向に沿って出力電圧Ｖｏを主力するための出力端子を有している。ホール素子６１は、主面１９に略直交する方向から磁場が印加されたときに、磁場の磁束密度と制御電流Ｉｃとに比例した出力電圧Ｖｏを主力端子から出力する。

ホール素子６１は、磁気粘弾性エラストマ２の中央部に、主面１９が第１主面１７及び第２主面１８と平行になるように埋め込まれている。すなわち、ホール素子６１は、その主面１９を軸線Ａが通過するように配置されている。これにより、ホール素子６１は、磁気粘弾性エラストマ２内に支持されている。ホール素子６１の入力端子及び出力端子に接続される配線は、第１主面１７及び第２主面１８と平行に延び、磁気粘弾性エラストマ２の側部から外部に突出している。

制御装置１０は、ホール素子６１に制御電流Ｉｃを出力する一方、ホール素子６１から出力電圧Ｖｏを受ける。制御装置１０は、制御電流Ｉｃと出力電圧Ｖｏとに基づいてホール素子６１に加わる磁場（検出磁場Ｂｄという）を演算する。

ホール素子６１は、自身の位置における磁場の強さ（検出磁場Ｂｄ）に応じた出力電圧Ｖｏを出力する。すなわち、ホール素子６１は、自身の位置における磁場の強さを検出する。各電磁石５、６が発生する磁場（印加磁場Ｂｉ）の強さが一定である場合に、第２プレート４を介して磁気粘弾性エラストマ２に荷重Ｆが加えられ、磁気粘弾性エラストマ２が変形すると、ホール素子６１と各電磁石５、６との相対位置が変化するため、ホール素子６１を通過する磁力線の数が変化し、ホール素子６１の出力電圧Ｖｏ、すなわちホール素子６１が検出する磁場（検出磁場Ｂｄ）の強さが変化する。そのため、ホール素子６１が検出した検出磁場Ｂｄ（出力電圧Ｖｏ）の変化量に基づいて磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘ及び磁気粘弾性エラストマ２に加わる荷重Ｆを演算することができる。本実施形態では、ホール素子６１は、磁気粘弾性エラストマ２の軸線Ａを通るように中央部に設けられ、各電磁石５、６（コイル２２）の軸線が軸線Ａと一致するように設けられている。そのため、磁気粘弾性エラストマ２がせん断方向に変形するほど、ホール素子６１が各電磁石５、６の軸線からずれ、検出磁場Ｂｄが小さくなる。

ホール素子６１は、磁気粘弾性エラストマ２のせん断方向への変形を検出することができるため、制御装置１０は、ホール素子６１からの検出値に基づくことによって、磁気粘弾性エラストマ２が変形し、電気抵抗Ｒが初期抵抗Ｒｉより増加するときに、その変形が軸線Ａに沿った引張方向への変形か、せん断方向への変形かを判別することができる。

ホール素子６１からの検出値に基づいて磁気粘弾性エラストマ２の変形方向を確定した後は、第１実施形態に係るセンサ装置１と同様に、センサ装置６０は、印加磁場Ｂｉ及び電気抵抗Ｒに基づいて磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘ及び荷重Ｆを演算する。なお、検出磁場Ｂｄ及び印加磁場Ｂｉに基づいて、せん断方向への磁気粘弾性エラストマ２の変形量Ｘ及び荷重Ｆを演算してもよい。

（第４実施形態）
図６は、第４実施形態に係るセンサ装置７０を示す構成図である。第４実施形態に係るセンサ装置７０は、非磁性部材７１を更に有する点が第３実施形態に係るセンサ装置６０と異なり、他の構成は同様である。以下の第４実施形態に係るセンサ装置７０について、上記実施形態に係るセンサ装置１、６０と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図６に示すように、第４実施形態に係るセンサ装置７０は、磁気粘弾性エラストマ２の内部に、ホール素子６１に加えて非磁性部材７１を有している。非磁性部材７１は、透磁率が磁気粘弾性エラストマ２及び基質エラストマ１４に比べて低い材料から形成されている。非磁性部材７１は、ホール素子６１の主面１９と同一形状の主面を有する板状に形成されている。非磁性部材７１は、磁気粘弾性エラストマ２内においてホール素子６１と第１プレート３との間に支持されている。非磁性部材７１は、その主面が軸線Ａと直交するように配置され、軸線Ａに沿った方向から見てホール素子６１と外縁が概ね一致するように配置されている。これにより、磁気粘弾性エラストマ２が変形していない初期状態においては、軸線Ａ方向においてホール素子６１は非磁性部材７１と重なり、軸線Ａ方向においてホール素子６１と第１プレート３の各電磁石５、６との対向面積は０又は微小となる。そのため、各電磁石５、６が発生する磁力線は非磁性部材７１に阻害され（図６中の破線参照）、ホール素子６１を通過し難くなる。すなわち、磁気粘弾性エラストマ２が変形していない初期状態においては、ホール素子６１が検出する検出磁場Ｂｄが小さくなる。

以上のように構成した第４実施形態に係るセンサ装置７０は、磁気粘弾性エラストマ２がせん断方向に変形したときに、ホール素子６１と非磁性部材７１との相対位置がせん断方向にずれ、ホール素子６１が軸線Ａ方向において各電磁石５、６と対向する部分が増大する。これにより、ホール素子６１を通過する磁力線が比較的急峻な傾きをもって増加し、ホール素子６１は磁場の変化を検出することができる。このように、非磁性部材７１を各電磁石５、６とホール素子６１との間に介在させたことによって、磁気粘弾性エラストマ２が変形したときに、ホール素子６１が検出する磁場の変化を大きくすることができる。すなわち、センサ装置１は、磁気粘弾性エラストマ２の変形をより高精度（高感度）に検出することができる。

（第５実施形態）
図７は、第５実施形態に係るセンサ装置を示す構成図であり、図８は第５実施形態に係るセンサ装置に荷重が加わった状態を示す図である。図７及び図８に示すように、センサ装置１０１は、磁気粘弾性エラストマ１０２と、磁気粘弾性エラストマ１０２を挟持するように設けられた第１プレート１０３及び第２プレート１０４と、第１プレート１０３及び第２プレート１０４のそれぞれに設けられた磁場印加手段としての第１電磁石１０５及び第２電磁石１０６と、磁気粘弾性エラストマ１０２内に支持された磁場検出手段としてのホール素子１０７と、制御装置１１０とを有している。

磁気粘弾性エラストマ１０２は、マトリックスとしての粘弾性を有する基質エラストマ１１４と、基質エラストマ１１４内に分散された磁性粒子１１５とを有する。基質エラストマ１１４は、例えば、エチレン−プロピレンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、シリコンゴム等の室温で粘弾性を有する公知の高分子材料であってよい。基質エラストマ１１４は、所定の中心軸線Ａを有し、一側の外面に軸線Ａに直交する第１主面１１７を有し、第１主面１１７と相反する側に、第１主面１１７と平行に形成された第２主面１１８とを有している。基質エラストマ１１４は、任意の形状に形成することができ、例えば直方体や円柱形とすることができる。第１主面１１７及び第２主面１１８は、基質エラストマ１１４が直方体の場合には互いに相反する一対の外面であり、基質エラストマ１１４が円柱形の場合には、軸線に直交する両端面とすることができる。

磁性粒子１１５は、磁場の作用によって磁気分極する性質を有するものであり、例えば、純鉄、電磁軟鉄、方向性ケイ素鋼、Ｍｎ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、マグネタイト、コバルト、ニッケル等の金属、４−メトキシベンジリデン−４−アセトキシアニリン、トリアミノベンゼン重合体等の有機物、フェライト分散異方性プラスチック等の有機・無機複合体等の公知の材料から形成された粒子である。磁性粒子１１５の形状は、特に限定はなく、例えば球形、針形、平板形等であってよい。磁性粒子１１５の粒径は、特に限定はなく、例えば０．０１μｍ〜５００μｍ程度であってよい。

磁性粒子１１５は、基質エラストマ１１４内において、磁場が印加されていない状態においては互いの相互作用が小さく、磁場が印加された状態においては磁気相互作用によって互いに作用する引力が増大するようになっている。例えば、磁性粒子１１５は、基質エラストマ１１４内において、磁場が印加されていない状態においては接触部位が少なく、磁場が印加された状態においては磁気的結合によって互いの接触部位が増大し得る様に分散されている。また、磁性粒子１１５は、磁場が印加されていない状態においては、基質エラストマ１１４内において互いに接触しない程度に分散されていてもよいし、一部が接触して連続するように分散されていてもよい。磁性粒子１１５の基質エラストマ１１４に対する割合は、任意に設定可能であるが、例えば体積分率で５％〜６０％程度であってよい。磁性粒子１１５の基質エラストマ１１４に対する分散状態は、基質エラストマ１１４の各部において均一にしてもよいし、一部に密度差を設けてもよい。

ホール素子１０７は、ホール効果を利用して磁場（磁界）を検出する公知の磁気センサである。ホール素子１０７は、薄膜状の半導体であり、主面に沿った第１の方向に沿って制御電流Ｉｃを入力するための端子を有し、主面に沿い、かつ第１の方向に直交する第２の方向に沿って出力電圧Ｖｏを主力するための出力端子を有している。ホール素子１０７は、主面１１９に略直交する方向から磁場が印加されたときに、磁場の磁束密度と制御電流Ｉｃとに比例した出力電圧Ｖｏを主力端子から出力する。

ホール素子１０７は、磁気粘弾性エラストマ１０２の中央部に、主面１１９が第１主面１１７及び第２主面１１８と平行になるように埋め込まれている。すなわち、ホール素子１０７は、その主面１１９を軸線Ａが通過するように配置されている。これにより、ホール素子１０７は、磁気粘弾性エラストマ１０２内に支持されている。ホール素子１０７の入力端子及び出力端子に接続される配線は、第１主面１１７及び第２主面１１８と平行に延び、磁気粘弾性エラストマ１０２の側部から外部に突出している。

第１プレート１０３及び第２プレート１０４は、非磁性材から形成され、磁気粘弾性エラストマ１０２の第１主面１１７及び第２主面１１８に接着等によって接合されている。第１電磁石１０５及び第２電磁石１０６は、それぞれ、鉄心１２１と、鉄心１２１の外周面に巻き回されたコイル１２２とを有する。各電磁石１０５、１０６は、コイル１２２の軸線が第１プレート１０３及び第２プレート１０４の主面に直交するように、第１プレート１０３及び第２プレート１０４内の中央に配置されている。各電磁石１０５、１０６は、コイル１２２の軸線が磁気粘弾性エラストマ１０２の軸線Ａと一致するように配置されている。本実施形態では、第１プレート１０３及び第２プレート１０４は樹脂を成形したものであり、各電磁石１０５、１０６は各プレート１０３、１０４を成形する際に内部にインサートされ、各プレート１０３、１０４内に埋め込まれている。他の実施形態では、各プレート１０３、１０４を中空のケース状に形成し、各電磁石１０５、１０６を後でケース内に配置する構成としてもよい。各電磁石１０５、１０６のコイル１２２に接続される配線は、各プレート１０３、１０４から外部に引き出されている。

各電磁石１０５、１０６に通電することによって、磁場が発生し、磁気粘弾性エラストマ１０２に磁場が印加される。磁場は、磁力線（図７中の破線参照）が第１プレート１０３の第１電磁石１０５から第２プレート１０４の第２電磁石１０６に向かうように生成される。各電磁石１０５、１０６から発生する磁場（印加磁場Ｂｉ）は、各電磁石に流れる電流Ｉｉに応じて変化し、電流が大きくなるほど磁場（磁束密度）は大きくなる。

各電磁石１０５、１０６に通電することによって磁気粘弾性エラストマ１０２に磁場が印加されると、磁場の強さに応じて磁性粒子１１５は分極し、磁気的結合を形成する。磁性粒子１１５は、例えば連鎖的に結合して網目構造を形成する等によって、磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率が基質エラストマ１１４単独の弾性率（剛性）よりも増大する。磁気粘弾性エラストマ１０２に印加される磁場が強いほど、磁性粒子１１５間の磁気的結合が増大し、磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率が増大する。各電磁石１０５、１０６によって磁気粘弾性エラストマ１０２に印加される磁場（印加磁場Ｂｉ）が強いほど、すなわち各電磁石１０５、１０６に供給される電流（Ｉｉ）が大きいほど、磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率は増大し、磁気粘弾性エラストマ１０２は荷重Ｆに対して変形し難くなる。

センサ装置１０１は、第１プレート１０３が基台１３１に固定され、第２プレート１０４が測定対象体１３２に固定される。センサ装置１０１は、測定対象体１３２から第２プレート１０４にせん断方向（軸線Ａに直交する平面に沿った方向）への荷重Ｆが入力されたとき（図８参照）の、荷重Ｆの大きさや、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘを検出する。また、荷重Ｆの大きさや変形量Ｘに関連する荷重Ｆの大きさの変化速度（変化率）、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形速度Ｖ、磁気粘弾性エラストマ１０２の振動数を検出する。

制御装置１１０は、マイクロプロセッサや、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスや組み込み電子デバイスとして構成されている。制御装置１１０は、各電磁石１０５、１０６及びホール素子１０７に接続されている。制御装置１１０は、各電磁石１０５、１０６に電力を供給し、供給する電流Ｉｉを変化させることによって、各電磁石１０５、１０６が生じる磁場の強さ（磁束密度）を変化させる。制御装置１１０が各電磁石１０５、１０６に供給する電流Ｉｉの大きさは、複数段階に設定可能であってもよいし、連続的に設定可能であってもよい。本実施形態では、制御装置１１０は、小、中、大の３段階に電流Ｉｉを変更可能であり、これらの電流に応じて各電磁石１０５、１０６が発生する磁場（印加磁場Ｂｉ）の強さは弱、中、強の３段階に変更される。制御装置１１０は、各電磁石１０５、１０６に供給する電流Ｉｉを連続的に変化させることができる場合には、各電磁石１０５、１０６に供給する電流Ｉｉから各電磁石１０５、１０６が発生する磁場（印加磁場Ｂｉ）を演算するとよい。

制御装置１１０は、ホール素子１０７に制御電流Ｉｃを出力する一方、ホール素子１０７から出力電圧Ｖｏを受ける。制御装置１１０は、制御電流Ｉｃと出力電圧Ｖｏとに基づいてホール素子１０７に加わる磁場（検出磁場Ｂｄという）を演算する。

また、制御装置１１０は、検出磁場Ｂｄと、印加磁場Ｂｉとに基づいて所定のマップを参照し、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘや磁気粘弾性エラストマ１０２に加えられた荷重Ｆ、磁気粘弾性エラストマ１０２に生じている振動数νを演算する。なお、制御装置１１０は、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量等の演算時に、検出磁場Ｂｄに代えて、検出磁場Ｂｄに対応したホール素子１０７の制御電流Ｉｃ及び出力電圧Ｖｏを使用してもよく、印加磁場Ｂｉに代えて、印加磁場Ｂｉに対応した各電磁石１０５、１０６に供給する電流Ｉｉを使用してもよい。

第５実施形態に係るセンサ装置１０１の印加磁場、荷重、及び変形量の関係は、図３で表される。印加磁場Ｂｉが変化すると、磁性粒子１１５の磁気的結合の程度が変化するため、磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率が変化する。印加磁場Ｂｉが強くなると、磁性粒子１１５の磁気的結合が増大するため、磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率は大きくなる。そのため、図３に示すように、印加磁場Ｂｉが強くなるにつれて、所定の荷重Ｆに対する磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘは小さくなる。そのため、印加磁場Ｂｉが弱いほど、磁気粘弾性エラストマ１０２は、小さな荷重Ｆで変形限界値Ｘ１に到達し易くなる。ここで変形限界値Ｘ１とは、この値を超えて変形量Ｘが大きくなると荷重Ｆに対する変形量Ｘの線形性が成立しなくなる値をいう。センサ装置１０１は、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘが変形限界値Ｘ１以内の範囲で動作することが好ましい。第１プレート１０３及び第２プレート１０４の所定量以上の相対移動を規制するストッパを設け、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘを変形限界値Ｘ１以下に規制してもよい。

ホール素子１０７は、自身の位置における磁場の強さ（検出磁場Ｂｄ）に応じた出力電圧Ｖｏを出力する。すなわち、ホール素子１０７は、自身の位置における磁場の強さを検出する。各電磁石１０５、１０６が発生する磁場（印加磁場Ｂｉ）の強さが一定である場合に、第２プレート１０４を介して磁気粘弾性エラストマ１０２に荷重Ｆが加えられ、磁気粘弾性エラストマ１０２が変形すると、ホール素子１０７と各電磁石１０５、１０６との相対位置が変化するため、ホール素子１０７を通過する磁力線の数が変化し、ホール素子１０７の出力電圧Ｖｏ、すなわちホール素子１０７が検出する磁場（検出磁場Ｂｄ）の強さが変化する。そのため、ホール素子１０７が検出した検出磁場Ｂｄ（出力電圧Ｖｏ）の変化量に基づいて磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘ及び磁気粘弾性エラストマ１０２に加わる荷重Ｆを演算することができる。本実施形態では、ホール素子１０７は、磁気粘弾性エラストマ１０２の軸線Ａを通るように中央部に設けられ、各電磁石１０５、１０６（コイル１２２）の軸線が軸線Ａと一致するように設けられている。そのため、磁気粘弾性エラストマ１０２がせん断方向に変形するほど、ホール素子１０７が各電磁石１０５、１０６の軸線からずれ、検出磁場Ｂｄが小さくなる。

ここで、検出磁場Ｂｄは、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘに加えて、各電磁石１０５、１０６が生じる印加磁場Ｂｉの強さによって変化するため、検出磁場Ｂｄに基づいて磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘを演算するときには、印加磁場Ｂｉの強さを考慮する必要がある。そのため、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘを演算するときには、検出磁場Ｂｄ及び印加磁場Ｂｉに基づいて演算する必要がある。本実施形態では、印加磁場Ｂｉは弱、中、強の３段階で変更可能としたため、この３段階について、制御装置１１０は、検出磁場Ｂｄと磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘとの関係を予め定めた変形量マップを有している。制御装置１１０は、印加磁場Ｂｉと検出磁場Ｂｄとに基づいて、変形量マップを参照することで磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘを演算する。変形量マップは、例えば、検出磁場Ｂｄが小さくなるほど変形量Ｘが増加し、印加磁場Ｂｉが大きくなるほど検出磁場Ｂｄに基づく変形量Ｘが大きくなるように定めるとよい。

図３に示すように、磁気粘弾性エラストマ１０２に加わる荷重Ｆは、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘと印加磁場Ｂｉの強さとに相関がある。本実施形態では、印加磁場Ｂｉは弱、中、強の３段階で設定可能としたため、この３パターンについて、制御装置１１０は、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘと磁気粘弾性エラストマ１０２に加わる荷重Ｆの関係を予め定めた荷重マップを有している。制御装置１１０は、印加磁場Ｂｉと磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘとに基づいて、荷重マップを参照することで磁気粘弾性エラストマ１０２に加わる荷重Ｆを演算する。荷重マップは、例えば、変形量Ｘが大きくなるほど荷重Ｆが増加し、印加磁場Ｂｉが大きくなるほど変形量Ｘに基づく荷重Ｆが大きくなるように定めるとよい。

制御装置１１０は、以上のように演算した変形量Ｘを微分することによって、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形速度Ｖを得ることができ、変形速度Ｖに基づいて磁気粘弾性エラストマ１０２の振動数νを得ることができる。また、制御装置１１０は、荷重Ｆに基づいて荷重Ｆの変化速度や荷重Ｆの振動数を得ることができる。

また、制御装置１１０は、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘに基づいて、印加磁場Ｂｉを調整する。例えば、制御装置１１０は、変形量Ｘが大きい場合には、各電磁石１０５、１０６に供給する電流Ｉｉを増大させ、印加磁場Ｂｉを強くし、磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率を増大させる。これにより、変形量Ｘが変形限界値Ｘ１に到達し難くなり、より大きな荷重Ｆを測定可能になる。すなわち、センサ装置１０１の検出範囲（測定範囲）が広くなる。また、制御装置１１０は、変形量Ｘが小さい場合には、印加磁場Ｂｉを弱くして磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率を低下させる。これにより、荷重Ｆが小さい場合にも磁気粘弾性エラストマ１０２はより大きく変形するようになるため、荷重Ｆに対する検出磁場Ｂｄの変化量が大きくなり、検出精度（感度）が向上する。このように、センサ装置１０１は、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘ及び加わる荷重Ｆに対応して、検出範囲及び検出感度を変化させることができる。

センサ装置１０１の検出範囲及び検出感度の調整は、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形量Ｘに代えて、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形速度Ｖや、検出磁場Ｂｄの変化量又は変化速度に基づいて行ってもよい。磁気粘弾性エラストマ１０２の変形速度Ｖが大きくなるほど、又は検出磁場Ｂｄの変化量（変化速度）が大きくなるほど、印加磁場Ｂｉを強くして磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率を増大させるとよい。

以上のように構成したセンサ装置１０１は、演算した荷重Ｆや、荷重Ｆの変化速度から演算した振動数νに基づいて磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率を変化させることによって、測定対象体１３２の振動を低減するアクチュエータとして機能することができる。例えば、磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率を変化させることによって、基台１３１、センサ装置１０１、測定対象体１３２からなる振動系のばね定数を変化させ、振動系の固有振動数を変化させることによって振動系の振動を低減することができる。その際、センサ装置１０１は、センサ装置１０１が検出した振動数νに基づいて、振動数νを低下させる方向に磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率を変化させるとよい。

以上のように構成したセンサ装置１０１は、センサとしての機能と、アクチュエータとしての機能とを有する。通常、アクチュエータとセンサとは独立した要素によって構成されるが、磁気粘弾性エラストマ１０２及び各電磁石１０５、１０６はセンサ及びアクチュエータに共通の要素として用いられるため、センサ装置１０１の部品点数を削減することができると共に、センサ装置１０１をコンパクトに構成することができる。

また、センサ装置１０１は、磁気粘弾性エラストマ１０２を主な要素として有するため、従来、粘弾性エラストマを緩衝材（ショックアブソーバ）として使用している箇所への組み込み及び置換に適している。

以上のように構成したセンサ装置１０１は、例えば車両の車体骨格と内燃機関との間に介装されるエンジンマウントや、サスペンションアームと車輪を支持するナックルとの間に介装されるブッシュとして適用することができる。例えば、基台１３１に車体骨格やサスペンションアームを適用し、測定対象体１３２に内燃機関やナックルを適用するとよい。センサ装置１０１をエンジンマウントとして構成した場合には、センサ装置１０１は内燃機関の振動を検出し、内燃機関の振動を抑制するように、磁気粘弾性エラストマ１０２の弾性率を変化させるとよい。センサ装置１０１を筒状のブッシュに適用する場合には、磁気粘弾性エラストマ１０２を筒状に形成し、第１プレート１０３を筒状に形成して磁気粘弾性エラストマ１０２の外周面に外筒として配置し、第２プレート１０４を筒状に形成して磁気粘弾性エラストマ１０２の内周面に内筒として配置することができる。

（第６実施形態）
図９は、第６実施形態に係るセンサ装置１５０を示す構成図である。第６実施形態に係るセンサ装置１５０は、非磁性部材１５１を更に有する点が第５実施形態に係るセンサ装置１０１と異なり、他の構成は同様である。以下の第６実施形態に係るセンサ装置１５０について、第５実施形態に係るセンサ装置１０１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図９に示すように、第６実施形態に係るセンサ装置１５０は、磁気粘弾性エラストマ１０２の内部に、ホール素子１０７に加えて非磁性部材１５１を有している。非磁性部材１５１は、透磁率が磁気粘弾性エラストマ１０２及び基質エラストマ１１４に比べて低い材料から形成されている。非磁性部材１５１は、ホール素子１０７の主面１１９と同一形状の主面を有する板状に形成されている。非磁性部材１５１は、磁気粘弾性エラストマ１０２内においてホール素子１０７と第１プレート１０３との間に支持されている。非磁性部材１５１は、その主面が軸線Ａと直交するように配置され、軸線Ａに沿った方向から見てホール素子１０７と外縁が概ね一致するように配置されている。これにより、磁気粘弾性エラストマ１０２が変形していない初期状態においては、軸線Ａ方向においてホール素子１０７は非磁性部材１５１と重なり、軸線Ａ方向においてホール素子１０７と第１プレート１０３の各電磁石１０５、１０６との対向面積は０又は微小となる。そのため、各電磁石１０５、１０６が発生する磁力線は非磁性部材１５１に阻害され（図１０中の破線参照）、ホール素子１０７を通過し難くなる。すなわち、磁気粘弾性エラストマ１０２が変形していない初期状態においては、ホール素子１０７が検出する検出磁場Ｂｄが小さくなる。

以上のように構成した第６実施形態に係るセンサ装置１０１は、磁気粘弾性エラストマ１０２がせん断方向に変形したときに、ホール素子１０７と非磁性部材１５１との相対位置がせん断方向にずれ、ホール素子１０７が軸線Ａ方向において各電磁石１０５、１０６と対向する部分が増大する。これにより、ホール素子１０７を通過する磁力線が比較的急峻な傾きをもって増加し、ホール素子１０７は磁場の変化を検出することができる。このように、非磁性部材１５１を各電磁石１０５、１０６とホール素子１０７との間に介在させたことによって、磁気粘弾性エラストマ１０２が変形したときに、ホール素子１０７が検出する磁場の変化を大きくすることができる。すなわち、センサ装置１０１は、磁気粘弾性エラストマ１０２の変形をより高精度（高感度）に検出することができる。

（第７実施形態）
図１０は、第７実施形態に係るセンサ装置１６０を示す構成図である。第７実施形態に係るセンサ装置１６０は、第２プレート１０４及び第２プレート１０４に含まれる第２電磁石１０６を省略した点が第５実施形態に係るセンサ装置１０１と異なり、他の構成は同様である。以下の第７実施形態に係るセンサ装置１６０について、第５実施形態に係るセンサ装置１０１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図１０に示すように、第７実施形態に係るセンサ装置１６０は、第２プレート１０４及び第２プレート１０４内の第２電磁石１０６が省略されており、センサ装置１０１の荷重入力部が磁気粘弾性エラストマ１０２となる。これにより、センサ装置１０１は、柔軟な（可撓性を有する）荷重入力部を有する感圧センサとして構成される。

第７実施形態に係るセンサ装置１０１は、人が指等によって操作するボタンや、ロボット等のアームの作用部（指先等）への適用に適している。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、第１〜第３、第５実施形態において、第１電磁石１０５及び第２電磁石１０６の一方を省略してもよい。また、上記の実施形態では磁場印加手段として各電磁石５、６、１０５、１０６を使用したが、磁場印加手段には永久磁石を使用してもよい。この場合には、磁気粘弾性エラストマ２、１０２に印加する磁場の強さを変化させるために、永久磁石と磁気粘弾性エラストマ２、１０２との相対位置を変化させる磁石位置可変手段を設けるとよい。

１、５０、６０、７０、１０１、１５０、１６０...センサ装置、２、１０２...磁気粘弾性エラストマ、３、１０３...第１プレート、４、１０４...第２プレート、５、１０５...第１電磁石（磁場印加手段）、６、１０６...第２電磁石（磁場印加手段）、８...第１電極板、９...第２電極板、１０、１１０...制御装置（演算手段）、１４、１１４...基質エラストマ、１５、１１５...磁性粒子、３１、１３１...基台、３２、１３２...測定対象体、３５...抵抗検出回路、５１...ストッパ、６１、１０７...ホール素子（磁気検出手段）、７１...非磁性部材、１５１...非磁性部材、Ａ...軸線

Claims (14)

1. 導電性の磁性粒子が内部に分散され、印加される磁場の強さに応じて弾性率が変化すると共に、変形に伴って所定の方向における電気抵抗値が変化する磁気粘弾性エラストマと、
   前記磁気粘弾性エラストマに磁場を印加すると共に、印加する磁場の強さを変更可能な磁場印加手段と、
   前記磁気粘弾性エラストマの電気抵抗を検出する抵抗検出手段と、
   前記抵抗検出手段の検出値と、前記磁場印加手段が印加する磁場の強さとに基づいて、前記磁気粘弾性エラストマに加わる荷重を演算する演算手段とを有し、
   前記演算手段は、前記磁場印加手段が印加する磁場が強いほど、前記抵抗検出手段の検出値に対応して演算される前記荷重の値を大きくすることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記抵抗検出手段は、第１の方向と直交し、前記磁気粘弾性エラストマを挟むように配置された一対の電極を有し、前記一対の電極間に通電することによって前記磁気粘弾性エラストマの電気抵抗を取得し、
   前記演算手段は、前記電気抵抗が減少方向に変化したときに前記磁気粘弾性エラストマが前記第１の方向に沿った圧縮方向に変形していると判断し、前記電気抵抗が増加方向に変化したときに前記磁気粘弾性エラストマが前記第１の方向に沿った引張方向に変形している、又は前記磁気粘弾性エラストマが前記第１の方向と直交する平面に沿ったせん断方向に変形していると判断することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記磁気粘弾性エラストマの前記せん断方向への変形を規制する規制部材を更に有することを特徴とする請求項２に記載のセンサ装置。
4. 前記磁気粘弾性エラストマ内に配置された磁場検出手段を更に有し、
   前記磁場印加手段は、当該磁場印加手段から出る磁力線が前記第１の方向に沿うように配置され、
   前記演算手段は、前記磁場検出手段の検出値と前記磁場印加手段が印加する磁場の強さとに基づいて、前記磁気粘弾性エラストマの前記第１の方向と直交する方向へのせん断変形を検出することを特徴とする請求項２に記載のセンサ装置。
5. 前記抵抗検出手段の検出値の変化量が大きいほど、前記磁場印加手段が印加する磁場を強くすることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
6. 前記磁気粘弾性エラストマは、第１部材と第２部材との間に介装され、
   当該センサ装置は、前記演算手段によって演算された前記磁気粘弾性エラストマに加わる荷重、又は前記磁気粘弾性エラストマの振動数に基づいて前記磁場印加手段を制御し、前記磁気粘弾性エラストマの弾性率を変化させ、前記第１部材及び前記第２部材間で伝達される荷重又は振動を変化させることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
7. 前記磁場印加手段は電磁石であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
8. 磁性粒子が内部に分散され、印加される磁場の強さに応じて弾性率が変化する磁気粘弾性エラストマと、
   前記磁気粘弾性エラストマに磁場を印加すると共に、印加する磁場の強さを変更可能な磁場印加手段と、
   前記磁気粘弾性エラストマに支持され、前記磁気粘弾性エラストマの変形に応じて前記磁場印加手段に対する相対位置が変化する磁場検出手段と、
   前記磁場検出手段が検出した磁場の強さと、前記磁場印加手段が印加する磁場の強さとに基づいて、前記磁気粘弾性エラストマの変形状態、及び前記磁気粘弾性エラストマに加わる荷重の少なくとも１つを演算する演算手段とを有することを特徴とするセンサ装置。
9. 前記演算手段は、前記磁場印加手段が印加する磁場が強いほど、前記磁場検出手段の検出値に対応して演算される前記荷重の値を大きくすることを特徴とする請求項８に記載のセンサ装置。
10. 前記磁場検出手段が検出する磁場の強さの変化量が大きいほど、前記磁場印加手段が印加する磁場を強くすることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のセンサ装置。
11. 前記演算手段によって演算された前記磁気粘弾性エラストマの変形量又は変形速度が大きいほど、前記磁場印加手段が印加する磁場を強くすることを特徴とする請求項８に記載のセンサ装置。
12. 前記磁気粘弾性エラストマは、第１部材と第２部材との間に介装され、
    前記演算手段は、当該演算手段によって演算された前記磁気粘弾性エラストマに加わる荷重、前記磁気粘弾性エラストマの変形量及び変形速度の少なくとも１つに基づいて前記磁場印加手段を制御し、前記磁気粘弾性エラストマの弾性率を変化させ、前記第１部材及び前記第２部材間で伝達される荷重又は振動を変化させることを特徴とする請求項８に記載のセンサ装置。
13. 前記磁場印加手段は電磁石であり、前記磁場検出手段は、前記磁気粘弾性エラストマ内に支持されたホール素子であることを特徴とする請求項８に記載のセンサ装置。
14. 前記電磁石と前記ホール素子との間の前記磁気粘弾性エラストマ内に配置され、前記電磁石から前記ホール素子に向う磁力線の少なくとも一部を阻害する非磁性部材を更に有し、前記磁気粘弾性エラストマの変形に応じて前記非磁性部材と前記ホール素子との相対位置が変化することを特徴とする請求項１３に記載のセンサ装置。

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