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  • 東京工業大学

    学士論文

    指導教員 上羽 貞行 教授

    中村 健太郎 助教授

    平成 19年 2月

    提出者

    学科 電気・電子工学科

    学籍番号 03_16111

    氏名 檀 慶太

    圧電振動型磁界センサ

    学科長等 認定印

  • 平成 18年度 学士論文内容梗概

    圧電振動型磁界センサ

    指導教員 上羽 貞行 教授 中村 健太郎 助教授

    電気・電子工学科 0316111 檀 慶太

    近年ホール素子や磁気抵抗素子のような小型の磁界センサは携帯電話、カーナビゲーシ

    ョンなど広い分野で利用が進められているが、温度特性が悪いなどの欠点が存在する。本

    研究では圧電素子による振動を用いた全く新しい原理の磁界センサを提案し、その構成方

    法と特性について検討する。 圧電素子振動子の端部に振動方向と直交する方向の検出電極を設けると、磁界を横切っ

    て検出電極が振動するため、電磁誘導によりフレミングの右手の法則で示される方向に振

    動周波数の交流起電力が発生する。この電圧は振動速度および磁束密度に比例した値とな

    るので、磁界センサとして動作する。長さ 7 mmの検出電極を 400本集積化し、振動速度 0.7 m/sを与えれば、地磁気の 1/30である 0.01 Gで 2μVの出力電圧が得られることにな るが、これは市販のホール素子とほぼ同感度である。 本研究では圧電セラミックスである PZTによる矩形板を用いた長さ方向縦振動型センサ

    (43×7×1 mm)とたわみ振動型センサ(43×7×2 mm)、円板の拡がり振動を用いた円板型セ ンサ(直径 16 mm,厚み 1 mm)の 3種類の構成法について検討を行った。それぞれの構成法 について出力電圧の振動速度依存性、磁束密度依存性、磁場入射角度依存性の測定を行い、

    理論通りに動作をしていることを確認した。振動を励振する電圧が、圧電効果や電気容量

    を介して検出電極に漏れてくるが、最小検出磁界を向上するためには、この漏れ電圧を抑

    圧することが必要であることを指摘した。提案した3種類の構成法全てで、10 Gオーダ ーの磁場強度の検出が可能であったが、最も感度が高かった長さ方向縦振動型センサでは、

    0.4 Gにおいて出力電圧は 0.58 μVとなった。このときの理論値は 0.60 μVである。

    1−

    円板型センサは漏れ電圧が高かったが、中央にある励振電極部のみを分極し、励振電極

    と外周にある検出電極間の距離を長くとり、検出電極どうしの半径差が短い構造ならば漏

    れ電圧が軽減することを示した。

  • 第 1章 緒論 1.1 研究背景 1.2 研究目的 1.3 本論文の構成

    第 2章 圧電振動型磁界センサの原理と測定系 2.1 圧電振動型磁界センサの動作原理 2.2 出力電圧の理論式の算出 2.2.1 理論感度の算出

    2.3 漏れ電圧に対する検討 2.4 試作品の構造 2.5 本研究の測定系

    第 3章 長さ方向縦振動型センサ 3.1 長さ方向縦振動型センサの製作

    3.1.1 長さ方向縦振動型センサの共振周波数の測定 3.2 長さ方向縦振動型センサの特性 3.2.1 漏れ電圧の大きさ 3.2.2 振動速度特性 3.2.3 磁束密度特性 3.2.4 磁場入射角度特性

    第 4章 たわみ振動型センサ 4.1 たわみ振動型センサの製作 4.1.1たわみ振動型センサの共振周波数の測定

    4.2 たわみ振動型センサの特性 4.2.1 漏れ電圧の大きさ

    4.2.2 振動速度特性 4.2.3 磁束密度特性 4.2.4 磁場入射角度特性

    第5章 円板型センサ

    5.1 円板型センサの製作 5.1.1 円板型センサ1の構造 5.1.2 円板型センサ2の構造 5.1.3 円板型センサの共振周波数の測定

  • 5.2 円板型センサ1と円板型センサ2の漏れ電圧の比較 5.2.1 圧電効果による影響 5.2.2 励振電極と検出電極間の距離による影響 5.2.3 分極部分による影響

    5.3 円板型センサ2の特性 5.3.1 振動速度特性 5.3.2 磁束密度特性 5.3.3 磁場入射角度特性

    第 6章 結論 6.1 まとめ 6.1.1 3種類の構造法の比較 6.2 本研究の課題

    謝辞 参考文献 付録1 ヘルムホルツコイルの製作

  • 第 1章 緒論

    第1章 緒論

    1.1 研究背景 磁場の大きさや向きを検出する磁界センサは近年携帯電話、カーナビゲーションなど様々

    な製品や磁気ヘッドなどの部品に用いられている[1]。例えば最近の携帯電話にはナビゲーシ

    ョン機能があり、内部に磁界センサを用いた電子コンパスが組み込まれているものも存在

    する。このように近年小型化してきている携帯電話などの製品にも用いられているので、

    磁界センサも小型化したものが望まれている。現在磁界センサとして用いられている、ホ

    ール素子や磁気抵抗素子もこのような目的の元に用いられている。しかしながらホール素

    子などには Table1 に記すような短所が存在する[2][3]。また磁場強度と既存の磁界センサの 検出範囲を記した図を Fig.1-1に記す[4]。

    Table1-1 Comparing of magnetic sensors センサの種類 磁界検出範囲[G] 長所 短所

    ホール素子 62 10~10− ・磁極の判別可能 ・直流磁界の測定可能

    ・高温(120度)で動作しない[5] ・最大応答周波数が数 10kHz

    磁気抵抗素子 62 10~10− ・素子サイズを非常に

    小さく出来る ・温度変化により出力が変化する ・磁極判別不可

    MIセンサ 26 10~10− ・素子を小型化できる ・交流電流で励磁する必要がある ・電圧変換回路が必要[6][7]

    Fig.1-1 Magnetic field intensity and existing magnetic sensor’s operating range. そこで本研究では圧電素子の振動を用いた新しく、単純な原理を用いた磁界センサ“圧電

    振動型磁界センサ”を提案する。今回提案する圧電振動型磁界センサの利点を以下に記す。

    - 1 -

  • 第 1章 緒論

    ・ 材料特性に依存しないため、高温(300度)でも動作可能であり、温度特性がよく、直 線性良好である。

    ・ 磁極判別可能。 ・ 直流磁界に対して交流出力をとる。 ・ 電圧変換回路が不要 ・ 圧電振動ジャイロ回路を流用可能。 ・ 検出回路部を微細、集積化したら高感度のセンサが可能。 1.2 研究目的 ・ 感度が向上するような素子の構造を設計し、試作する。 ・ 試作した素子の特性を評価し理論値と比較する。 ・ 円板型センサにおいて漏れ電圧が軽減するような、最適な形状を検討する。 1.3 本論文の構成 本論文の構成を以下に記す。 第1章では本研究の背景を述べ、新しい原理の磁界センサ“圧電振動型磁界センサ”を提

    案し、本研究の目的を明らかにした。 第2章では圧電振動型磁界センサの動作原理について述べる。また今回試作した素子の構

    造および本研究の測定系を記す。 第 3章では試作した長さ方向縦振動型センサの特性を評価した結果を記す。 第4章では試作したたわみ振動型センサの特性を評価した結果を記す。 第5章では試作した円板型センサの特性を評価した結果を記す。また漏れ電圧についての

    問題を解決するために 2種類の円板型センサを作製し、比較検討した結果を記す。 最後の第6章でまとめと 3種類の構造法の比較と現段階の本研究における課題を記す。

    - 2 -

  • 第2章 圧電振動型磁界センサの原理と測定系

    第2章 圧電振動型磁界センサの原理と測定系

    2.1圧電振動型磁界センサの動作原理 Fig.2-1のような長さ方向縦振動を起こす矩形板の圧電素子を例にとって動作原理を説明す る。このとき圧電素子の両面はともに電極がついており、分極方向は厚さ方向である。ま

    た検出電極は基板の端に、振動速度に直交するようにとる。 この素子に磁界を印加すると磁界を横切って、検出電極が振動するため電磁誘導により、

    フレミングの右手の法則で示される方向に振動周波数と等しい交流電圧が発生する。この

    出力電圧を感知