DE3932457A1

DE3932457A1 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE3932457A1
Application number: DE3932457A
Authority: DE
Inventors: Takaharu Idogaki; Ikuo Hayashi; Toshihisa Ishihara; Hideo Inoue; Tatsuo Sugitani
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1988-09-28
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1990-03-29
Also published as: DE3932457C2; US4984463A

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor zum Erfassen einer Beschleunigung in zwei Dimensionen, und ins besondere einen zweidimensionalen Beschleunigungssensor, der zum Erfassen einer Beschleunigung entlang zweier Achsen, d.h. bezüglich einer Vorwärts- und Rückwärtsbewegung und einer Bewegung nach rechts und links eines Fahrzeuges verwandt wird. Ein derartiger Sensor kann bei einer Auf pralleinrichtung für einen Fahrer oder bei einer Vierrad lenkeinrichtung oder bei einer Einrichtung zum Steuern der Höhe der Fahrzeugkarosserie verwandt werden.

Aus der JP-OS 62-1 63 972 ist ein Sensor zum Erfassen einer Beschleunigung entlang zweier Achsen bekannt. Dieser be kannte Sensor ist mit zwei kugelförmigen Schalen, d.h. einer inneren und einer äußeren Schale, versehen, wobei ein magnetisches Fluid dicht in den Zwischenraum zwischen den Schalen eingeführt ist. Eine elektromagnetische Einrichtung ist für jede Achse vorgesehen, so daß die innere Schale schwebend im Inneren der äußeren kugelförmigen Schale gehal ten ist. Ein Kontaktpotentiometer ist dazu vorgesehen, die Lage der inneren Schale zu erfassen, die sich nach Maßgabe der Beschleunigung des Fahrzeuges ändert.

Dieser bekannte Sensor hat den Nachteil, daß sein Aufbau mechanisch kompliziert ist, da ein Kontaktsensor benutzt wird, und daß die Lebensdauer des Sensors relativ kurz ist.

Durch die Erfindung soll daher ein zweidimensionaler Be schleunigungssensor geschaffen werden, der eine Beschleuni gung in zwei Dimensionen erfassen kann, ohne daß ein Kontakt- oder Gleitteil vorgesehen ist.

Dazu umfaßt der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor ein Gehäuse aus einem nicht magnetischen Material, das eine Kammer begrenzt, die im wesentlichen rohrförmig ist, wobei das Gehäuse mit einer Umfangswand und axial beabstandeten Seitenwänden versehen ist, ein Magnetfluid, das im rohrför migen Innenraum der Kammer aufgenommen ist, einen scheiben förmigen Permanentmagneten, der in der rohrförmigen Kammer angeordnet ist, wobei der scheibenförmige Magnet eine äußere Umfangswand und axial beabstandete Seitenwände hat und mit Polen im Winkelabstand entlang der Umfangswand und der Seitenwände versehen ist, eine magnetische Sensorein richtung, die fest am Gehäuse angebracht ist und eine Änderung im magnetischen Fluß von den gegenüberliegenden Polen des magnetischen Elementes aufgrund einer Bewegung des scheibenförmigen Magneten im Gehäuse erfaßt, eine magne tische Sensoreinrichtung, die die Lage des scheibenförmigen Magneten erfaßt, in der das Trägheitsmoment des scheiben förmigen Magneten aufgrund der Beschleunigung durch die magnetische viskose elastische Kraft des magnetischen Fluids im Zwischenraum zwischen den einander zugewandten Umfangswänden des scheibenförmigen Magneten und der Kammer ausgeglichen ist, wobei der Abstand zwischen den einander zugewandten axialen Seitenwänden des scheibenförmigen Magne ten und der Kammer derart gewählt ist, daß eine axiale Be wegung des scheibenförmigen Magneten im wesentlichen blockiert ist, und eine Einrichtung, die die Bewegung des scheibenförmigen Magneten so begrenzt, daß im wesentlichen nur eine Art der Bewegung des scheibenförmigen Magneten relativ zum Gehäuse in der Ebene des scheibenförmigen Magne ten erhalten werden kann, wenn eine Beschleunigung auftritt, wodurch eine genaue Erfassung des Maßes an Beschleunigung möglich ist.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung be sonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1a eine seitliche Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungs gemäßen Sensorvorrichtung längs der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 1b die Ebene, in der die Beschleunigung auf tritt und die der Ebene des scheibenförmi gen Magneten in Fig. 1 entspricht,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 das Blockschaltbild der Steuerschaltungen, die mit dem Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Sensors verbunden sind,

Fig. 4 die Aussparung, die in Fig. 1 dargestellt ist,

Fig. 5 die axialen Zwischenräume und die Zwi schenräume in Umfangsrichtung bei dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 in einer graphischen Darstellung die Be ziehung zwischen dem Maß an Beschleuni gung und dem Ausgangssignalpegel Vx,

Fig. 7 in einer graphischen Darstellung die Be ziehung zwischen dem Maß an Beschleunigung und dem Ausgangssignalpegel Vy,

Fig. 8 in einer seitlichen Schnittansicht ein zweites Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Sensors längs der Linie VIII-VIII in Fig. 9,

Fig. 9 eine Längsschnittansicht längs der Linie IX-IX in Fig. 8,

Fig. 10 eine seitliche Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des erfin dungsgemäßen Sensors längs der Linie X-X in Fig. 11,

Fig. 11 eine Längsschnittansicht des dritten Aus führungsbeispiels längs der Linie XI-XI in Fig. 10,

Fig. 12 und 13 in perspektivischen Ansichten das Haupt gehäuse und das Hilfsgehäuse bei dem in Fig. 10 dargestellten dritten Ausführungs beispiel,

Fig. 14 und 15 eine perspektivische Ansicht und eine Quer schnittsansicht jeweils des Teils zunehmen der Dichte des magnetischen Fluids das neben den Polen gebildet wird,

Fig. 16a eine seitliche Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors längs der Linie XVI-XVI in Fig. 17,

Fig. 16b die Ebene, in der die Beschleunigung auf tritt und die der Ebene des scheibenförmigen Magneten in Fig. 16a entspricht,

Fig. 17 eine Längsschnittansicht längs der Linie XVII-XVII in Fig. 16a,

Fig. 18 und 19 in perspektivischen Ansichten das Haupt gehäuse und das Hilfsgehäuse bei dem vier ten Ausführungsbeispiel von Fig. 16a,

Fig. 20 die Steuerschaltung für das in Fig. 16a dargestellte vierte Ausführungsbeispiel,

Fig. 21 die Beziehung zwischen dem Maß an Winkel beschleunigung und dem Ausgangssignalpegel bei dem vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors, das in Fig. 16a dargestellt ist, und

Fig. 22 eine perspektivische Ansicht einer Abwand lungsform des erfindungsgemäßen Sensors.

In den Fig. 1a und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Hauptgehäuse 10 aus einem Aluminium material als nicht-magnetischem Material dargestellt. Das Hauptgehäuse 10 weist einen rohrförmigen Teil 12 und einen Flanschteil 14 auf, der in einem Stück mit dem rohrförmigen Teil 12 ausgebildet ist. Der rohrförmige Teil 12 ist an seinem dem Flanschteil 14 entfernt liegenden Ende geschlossen. Das Gehäuse 10 bildet eine kreisförmige, nach außen mündende Aus sparung 16, die eine kreisförmige Innenwand begrenzt, in der vier im gleichen Winkel beabstandete Aussparungen 18 a, 18 b, 18 c und 18 d mit einem bogenförmigen Querschnitt in einer Ebene quer zur Achse der Vorrichtung ausgebildet sind. Zwei diametral gegenüberliegende Aussparungen 18 a und 18 c und 18 b und 18 e sind jeweils vorgesehen. Ein Hilfsgehäuse 20 aus einem Aluminiummaterial weist einen rohrförmigen Teil 22 und einen ringförmigen Flanschteil 24 auf, der in einem Stück mit dem rohrförmigen Teil 22 ausgebildet ist. Der rohrförmige Teil 22 des Hilfsgehäuses 20 ist in das Hauptgehäuse 10 einge setzt, bis der Flanschteil 24 am Flanschteil 14 des Hauptge häuses 10 anliegt, und das Hilfsgehäuse 20 ist in dieser Lage am Hauptgehäuse 10 durch Schrauben 26 a und 26 b aus einem nicht-magnetischen Material befestigt, so daß eine rohrförmi ge Kammer 28 zwischen dem Hauptgehäuse 10 und dem Hilfsgehäuse 20 gebildet ist.

Das Hilfsgehäuse 20 weist einen axialen Ansatz 30 auf, in dem eine Öffnung 31 ausgebildet ist, die koaxial in Richtung der Achse der Vorrichtung verläuft. Die Öffnung 31 weist ein erstes Ende, das in der Kammer 28 mündet, und ein zweites Ende auf, auf das eine Kappe 34 gesetzt ist, um die Kammer 28 abzudichten, in der ein magnetisches Fluid 36 fluiddicht auf genommen ist. Als magnetisches Fluid kann ein Isoparaffin, das Teilchen mit sehr kleinem Durchmesser, beispielsweise aus Manganzinkferrit, enthält, die darin suspendiert sind, ver wandt werden.

Ein scheibenförmiger Magnet 38 ist im Zwischenraum 28 zusam men mit dem magnetischen Fluid 36 so angeordnet, daß die Achse des scheibenförmigen Magneten 38 koaxial bezüglich der Achse der Vorrichtung verläuft. Der scheibenförmige Permanent magnet 38 ist radial so magnetisiert, daß er eine Anzahl von Polen gleich der Anzahl der Aussparungen 18 a, 18 b, 18 c und 18 d hat. Wie es aus Fig. 1a ersichtlich ist, sind zwei einander zugewandte Nordpole N und zwei einander zugewandte Südpole S ausgebildet, wobei diese Nord- und Südpolpaare einen Winkelabstand von 180° voneinander haben. Der schei benförmige Magnet 38 hat eine axiale Stärke, die etwas kleiner als die axiale Länge des rohrförmigen Zwischenraums 28 ist. Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, bildet jede der Aussparungen 18 a, 18 b, 18 c und 18 d einen ausgesparten Teil 40, der am weitesten von der Oberfläche des scheibenförmigen Magneten 38 entfernt ist und längs der Normalrichtung der Pole verläuft, um eine Rückstellkraft zu erzeugen, und einen vorstehenden Teil 42, der der Oberfläche des scheibenförmigen Magneten 38 am nächsten liegt und zwischen benachbarten Nord- und Südpolen angeordnet ist, um eine Haltekraft zu erzeugen, die eine Drehung des scheibenförmigen Magneten verhindert. Zwei Paare von diametral gegenüberliegenden, eine Rückstell kraft erzeugenden Teilen 40 und zwei Paare von diametral gegenüberliegenden Halteteilen 42 sind nämlich vorgesehen.

An Winkelpositionen neben den Polen wird die örtliche Dichte des magnetischen Fluis 36 hoch, so daß eine magnetische und viskose elastische Kraft zwischen den die Rückstellkraft erzeugenden Teilen 40 und den zugewandten Polen des schei benförmigen Magneten erzeugt wird, um den scheibenförmigen Magneten 38 in einer neutralen Lage zu halten. Wenn eine Beschleunigung auftritt, wird der scheibenförmige Magnet 38 in seiner radialen Richtung entsprechend der Richtung der Beschleunigung in eine Lage bewegt, in der die oben erwähn te magnetische und viskose elastische Kraft gleich der Trägheitskraft ist, die am scheibenförmigen Magneten 38 aufgrund der Beschleunigung liegt.

Die vorstehenden Teile 42, die längs einer Normalachse K-K zwischen der Polachse H-H angeordnet sind, haben einen Ab stand δ ₂ von der Oberfläche des scheibenförmigen Magneten 38, der kleiner als der Abstand δ ₁ ist, den die Teile 40 vom scheibenförmigen Magneten 38 haben, was zur Folge hat, daß sich der scheibenförmige Magnet 38 nicht um seine eigene Achse drehen kann, wie es später im einzelnen beschrieben wird.

Wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist das magnetische Fluid in den rohrförmigen Zwischenraum 28 über die Öffnung 31 eingeführt und ist ein Stopfen 34 auf den Ansatz 30 gepaßt, woraufhin eine Kappe 44 auf den Stopfen 34 und das freie Ende des Ansatzes 30 aufgesetzt ist, so daß das magnetische Fluid im rohrförmigen Zwischenraum 28 dicht aufgenommen ist. Diese fluiddichte Anordnung wird von einem O-Ring 46 unter stützt, der zwischen dem Hauptgehäuse 10 und dem Hilfsgehäuse 20 angeordnet ist.

Wie es in Fig. 1a dargestellt ist, bildet das Hauptgehäuse 10 in Umfangsrichtung beabstandete Ausschnitte 49 a, 49 b, 49 c und 49 d, die an ihren in Umfangsrichtung äußeren Enden und an ihren axialen Enden im Abstand vom Flanschteil 14 nach außen münden. Hall-Elemente 50 a, 50 b, 50 c und 50 d, die als Magnetsensoren verwandt sind, sind in den Ausschnitten 49 a, 49 b, 49 c und 49 d jeweils angeordnet.

Diese Hall-Elemente 50 a, 50 b, 50 c und 50 d sind fest mit der Außenfläche des Hauptgehäuses in den jeweiligen Ausschnitten 49 a, 49 b, 49 c und 49 d verbunden, so daß die Ausschnitte 49 a, 49 b, 49 c und 49 d einen bestimmten Abstand jeweils von den Aussparungen 18 a, 18 b, 18 c und 18 d haben.

Eine gedruckte Schaltungsplatte 52 aus einem Material auf einer Glas-Epoxy-Harzbasis ist am Hauptgehäuse 10 mit einer Schraube 53 aus einem nicht-magnetischen Material befestigt. Jedes Hall-Element 50 a, 50 b, 50 c und 50 d ist mit Zuleitungs elementen versehen, die durch Löten mit der gedruckten Schaltungsplatte 52 verbunden sind. Auf der gedruckten Schaltungsplatte 52 ist in üblicher Weise ein Schaltungsteil 54 ausgebildet.

Ein Abschirmdeckel 56 aus Stahl ist mit dem Hauptgehäuse 14 über eine Befestigungseinrichtung, wie beispielsweise nicht dargestellte Schrauben, verbunden. Der Abschirmdeckel 56 weist einen rohrförmigen Teil 56-1, der dicht auf das Hauptgehäuse 10 und das Hilfsgehäuse 20 gepaßt ist, und ei nen Kappenteil 56-2 auf, der einen Durchmesser kleiner als der des rohrförmigen Teils 56-1 hat und um das Kappenelement 44 herum angeordnet ist. Der Abschirmdeckel 56 weist untere Zungenteile 56-3 auf, die auf einer Abschirmplatte 58 sitzen und damit durch Schrauben 60 verbunden sind. Der Ab schirmdeckel 56 und die Abschirmplatte 58 bilden den äußeren Aufbau des Ausführungsbeispiels des erfindungsge mäßen Beschleunigungssensors.

Der rohrförmige Teil 56-1 des Abschirmdeckels 56 weist eine Öffnung 56-4 auf, in die eine Dichtungshülse 62 aus einem Gummimaterial gepaßt ist, wobei ein Drahtkabel 64 von einer nicht dargestellten äußeren Steuerschaltung, der die Information über die Höhe der Beschleunigung zugeführt wird, durch die Dichtungshülse 62 hindurchgeht, so daß die Leitungsdrähte des Kabels 64 mit einer Verarbeitungs schaltung 54 verbunden sein können.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, ist die Verarbeitungs schaltung 54 mit Anschlüssen 68 bis 72 versehen, mit denen das Drahtkabel 64 verbunden ist. Die Verarbeitungsschaltung 54 ist weiterhin mit Differentialverstärkern 66 a, 66 b, 66 c und 66 d versehen, deren Eingänge jeweils mit den Hall- Elementen 50 a, 50 b, 50 c und 50 d verbunden sind. Wie es an sich bekannt ist, weist jedes Hall-Element zwei Ausgänge auf, die mit jeweils einem Gleichstromdifferentialverstärker ver bunden sind, wie es später beschrieben wird, von dem ein elektrisches Signal erhalten wird, das der Höhe des Magnet feldes entspricht. Diese Hall-Elemente 50 a, 50 b, 50 c und 50 d sind mit dem Anschluß 72 verbunden, der an der nicht darge stellten Energieversorgung liegt. Der Anschluß 74 liegt an Masse. Die Verarbeitungsschaltung 54 weist weiterhin zwei Differentialverstärker 76 und 78 auf. Der Verstärker 76 ist mit seinen beiden Eingängen mit den Ausgängen der Verstärker 66 a und 66 c verbunden, an denen ein Paar von Hall-Elementen 50 a, 50 c liegt, und der Verstärker 78 ist mit seinen beiden Eingängen mit den Ausgängen der Verstärker 66 b und 66 d verbunden, an denen ein Paar von Hall-Elementen 50 b und 50 d liegt. Ausgänge der Verstärker 76 und 78 sind mit den Anschlüssen 68 und 70 jeweils verbunden.

In Fig. 3 ist eine äußere Verarbeitungsschaltung 80 darge stellt, die über das Kabel 64 mit der Verarbeitungsschaltung 54 verbunden ist. Die äußere Verarbeitungsschaltung 80 enthält eine quadratische Mittlungsschaltung 82 und eine Rechenschaltung 84, die beispielsweise ein Multifunktions generator 4302 von BAR-BRAUN (phonetic) Company ist. Die Schaltung 84 ist so ausgebildet, daß von ihrer Vector funktionsteilung Gebrauch gemacht werden kann. Die quadra tische Mittlungsschaltung 82 und die Rechenschaltung 84 sind mit ihren beiden Eingängen jeweils mit den Anschlüssen 84 und 86 verbunden, die über das Kabel 64 mit den Anschlüssen 68 und 70 der inneren Verarbeitungsschaltung 54 verbunden sind. Die quadratische Mittlungsschaltung 82 und die Rechen schaltung 84 sind mit ihren Ausgängen jeweils mit den Ausgangsanschlüssen 88 und 90 verbunden.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des ersten Ausführungs beispiels beschrieben. Zunächst sei darauf hingewiesen, daß bei diesem Ausführungsbeispiel der Sensor in einer Lage des Körpers angeordnet ist, in der nur eine Translationsbewegung im wesentlichen erzeugt werden kann und im wesentlichen keine Drehbewegung auftritt. Der Sensor ist beispielsweise im Schwerpunkt des Fahrzeugs angeordnet, wenn er dazu benutzt wird, die Beschleunigung der Translationsbewegung zu erfassen. Der scheibenförmige Magnet 38 (Fig. 1) im magnetischen Fluid 36 erzeugt ein Magnetfeld, so daß sich die örtliche Dichte des magnetischen Fluids nach Maßgabe des Gradienten des Magnetfeldes ändert. Die Bereiche der örtlich höheren Dichte des magnetischen Fluids, die in den Aus sparungen 18 a bis 18 d aufgenommen sind, liefern eine magneti sche viskose elastische Kraft am Gehäuse 10 und am Gehäuse 20, um die zweidimensionale Lage, d.h. die Lage in X- und Y-Richtung, des scheibenförmigen Magneten 38 in Fig. 1b nach Maßgabe der anliegenden zweidimensionalen Beschleunigungs kraft zu steuern, wodurch das Maß der zweidimensionalen Be schleunigung aus der X- und Y-Lage des scheibenförmigen Magneten 38 erfaßt werden kann. Die Arbeitsweise beim Erfas sen der Höhe der zweidimensionalen Beschleunigung wird im folgenden mehr im einzelnen beschrieben.

Der scheibenförmige Magnet 38 ist radial magnetisiert und schwebt im magnetischen Fluid 36, da die magnetischen visko sen elastischen Kräfte, die den scheibenförmigen Magneten 38 halten, an Stellen mit gleichem Winkelabstand längs des scheibenförmigen Magneten 38 entsprechend den Nord- und Südpolen erzeugt werden, an denen die örtliche Dichte des magnetischen Fluids den größten Wert erreicht. Die örtliche Dichte des magnetischen Fluids neben dem Außenumfang des scheibenförmigen Magneten 38 im rohrförmigen Gehäuse 28 wird nahe an den Polen größer und von den Polen entfernt kleiner.

Wenn eine Beschleunigung (Fig. 1b) in einer Richtung in der Ebene des scheibenförmigen Magneten 38 auftritt, dann wird eine Trägheitskraft im scheibenförmigen Magneten 38 erzeugt und wird der scheibenförmige Magnet 38 zwangsweise relativ zum Hauptgehäuse 10 bewegt. Wenn der scheibenförmige Magnet 38 bewegt wird, wird eine magnetische viskose elastische Rückstellkraft aufgrund der im gleichen Winkelabstand ange ordneten Teile erhöhter Dichte des magnetischen Fluids er zeugt. Der scheibenförmige Magnet 38 wird in einer Lage zum Stillstand kommen, in der die Rückstellkraft und die Träg heitskraft im Gleichgewicht stehen, so daß ein Signal, das dem Maß der Beschleunigung entspricht, dadurch erhalten wird, daß die Lage des scheibenförmigen Magneten 38 im rohrförmigen Zwischenraum 28 erfaßt wird. Die Hall-Elemente 50 a, 50 b, 50 c und 50 d erfassen die Lage des scheibenförmigen Magneten 38.

Wenn der scheibenförmige Magnet 38 leicht drehbar ist, ändert sich die Lage des scheibenförmigen Magneten 38, so daß sich dementsprechend die Höhe des Beschleunigungssignals ändert, was die Erfassung des Maßes an Beschleunigung unmöglich macht. Gemäß der Erfindung sind daher Einrichtungen vorgese hen, die eine Drehung des scheibenförmigen Magneten 38 ver hindern. Wie es oben beschrieben wurde, ist der Sensor bei diesem Ausführungsbeispiel an einem Teil des Fahrzeuges an geordnet, an dem nur eine Translationsgeschwindigkeit oder -bewegung im wesentlichen auftritt. Dennoch kann eine kleine Komponente einer Drehbewegung auftreten, wobei diese Ein richtung der kleinen Trägheitskraft entgegenwirkt, die durch diese Komponente der Drehbewegung verursacht wird, und verhindert, daß sich der scheibenförmige Magnet 38 dreht. Diese Einrichtung umfaßt die Aussparungen 18 a, 18 b, 18 c und 18 d und ermöglicht es, eine magnetische viskose Elastizität, nicht nur in radialer Richtung, sondern auch in Umfangs richtung, zu erzeugen. Wie es bereits erläutert wurde, sind Bereiche mit örtlich höherer Dichte des magnetischen Fluids neben den Polen des scheibenförmigen Magneten 38 gebildet. In gleichem Winkelabstand angeordnete kleine Zwischenräume δ ₂ (Fig. 4) sind zwischen benachbarten Aussparungen 18 a, 18 b, 18 c und 18 d vorgesehen, so daß eine große magnetische viskose elastische Kraft in Umfangsrichtung zwischen den Seiten der Aussparungen 18 a, 18 b, 18 c und 18 d neben den Teilen 42 erzeugt wird, die eine Drehung des scheibenförmigen Magneten 38 um seine eigene Achse verhindert. Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, ist ein Bereich 100 mit örtlich höherer Dichte des mag netischen Fluids neben dem Pol 102 in der Aussparung gebildet, wobei dann, wenn der scheibenförmige Magnet 38 in Richtung einer Drehung um seine eigene Achse, die beispielsweise durch einen Pfeil 104 dargestellt ist, beaufschlagt wird, dieser Teil örtlich höherer Dichte die Oberfläche 106 der Aussparung neben dem Teil 42 erfaßt, der dem scheibenförmigen Magneten 38 am nächsten liegt und sich so ausdehnt, daß er diesen in Umfangsrichtung schneidet, so daß eine Drehung des scheiben förmigen Magneten 38 blockiert ist. Da somit die Drehbewegung des scheibenförmigen Magneten 38 blockiert ist, kann sich dieser nur in radialer Richtung zur Aussparung bewegen.

Es sei darauf hingewiesen, daß weiterhin eine Einrichtung vor gesehen ist, die im wesentlichen eine Axialbewegung des scheibenförmigen Magneten 38 im rohrförmigen Zwischenraum 28 verhindert, um eine Empfindlichkeit nur auf eine Beschleunigung in Richtung der Ebene des scheibenförmigen Magneten 38 sicherzustellen. Zu diesem Zweck ist in der in Fig. 5 darge stellten Weise der Abstand δ ₃ zwischen den einander zuge wandten Flächen des scheibenförmigen Magneten 38 und dem Hauptgehäuse 10 und dem Hilfsgehäuse 20 in axialer Richtung kleiner als der Abstand δ ₂. Das Magnetfeld befindet sich nicht nur im Bereich außerhalb der Umfangsseite des scheiben förmigen Magneten 38, sondern auch im Bereich außerhalb der axialen Seite des scheibenförmigen Magneten 38, so daß das magnetische Fluid mit hoher Dichte den kleinen axialen Zwischenraum δ ₃ zwischen den einander zugewandten axialen Seiten des scheibenförmigen Magneten 38 und der Gehäuse 10 und 20 füllt, was eine Beschränkung der Bewegung in axialer Richtung des scheibenförmigen Magneten 38 während der Be schleunigung ermöglicht.

Wie es oben beschrieben wurde, ist bei diesem Ausführungs beispiel der mehrpolige scheibenförmige Magnet 38 im rohr förmigen Gehäuse 28 angeordnet, das mit dem magnetischen Fluid 36 gefüllt ist, und ist das rohrförmige Gehäuse 28 mit einer Anzahl von Aussparungen 18 a, 18 b, 18 c und 18 d gleich der Anzahl der Pole des scheibenförmigen Magneten 38 versehen, die den Polen zugewandt angeordnet sind. Die Länge des rohr förmigen Zwischenraumes 28 in Richtung des scheibenförmigen Magneten 38, wo dieser nicht magnetisiert ist, ist etwas länger als die Länge des scheibenförmigen Magneten 38 selbst. Das hat zur Folge, daß (1) der scheibenförmige Magent 38 schwebend durch das magnetische Fluid im rohrförmigen Zwischenraum 28 gehalten werden kann, (2) dem scheibenförmi gen Magneten 38 die Rückstellkraft entgegenwirkt, um eine neutrale Lage unter der magnetischen viskosen Elastizität beizubehalten, und (3) eine Drehung des scheibenförmigen Magneten 38 verhindert ist. Wenn somit eine Beschleunigung in der Ebene des scheibenförmigen Magneten 38 auftritt, wird eine spezielle Lage des scheibenförmigen Magneten 38, d.h. eine spezielle Lage jedes Poles des scheibenförmigen Mag neten 38, erhalten. Das bedeutet, daß eine Erfassung der Lage der Pole durch eine Magnetfelddetektoreinrichtung, wie beispielsweise durch Hall-Elemente, es ermöglicht, das Maß an Beschleunigung zu erfassen.

Im folgenden wird mehr im einzelnen beschrieben, wie gemäß der Erfindung das Maß an Beschleunigung oder die Höhe der Be schleunigung ermittelt wird. In Fig. 1b entspricht die x-Achse einer Normallinie, auf der das diametral gegenüberliegende Paar von Aussparungen 49 a und 49 c liegt und entspricht die y-Achse der Normallinie, auf der das diametral gegenüber liegende Paar von Aussparungen 49 b und 49 d liegt. Wie es bereits erwähnt wurde, sind in diesem Fall vier Pole vorgese hen, so daß die diametral gegenüberliegenden Südpole auf der x-Achse liegen und die diametral gegenüberliegenden Nordpole auf der y-Achse. Wenn eine Beschleunigung erzeugt wird, dann liegt am Hauptgehäuse 10 die Beschleunigung als ein Vector, der dieselbe Größe hat, dessen Richtung jedoch umgekehrt ist. Wenn das Gewicht des scheibenförmigen Magneten 38 gleich m ist, dann kann die Trägheitskraft F ₁ am scheibenförmigen Mag neten 38 ausgedrückt werden als

wobei k ₁ eine Konstante ist, die durch verschiedene Faktoren bestimmt ist, und die magnetische elastische Kraft ₂ den gleichen Wert wie die Trägheitskraft -₁, jedoch die entgegen gesetzte Richtung hat.

Wenn in Fig. 1b angenommen wird, daß mit O der Ursprungspunkt des Koordinatensystems bezeichnet ist, das der Ebene des scheibenförmigen Magneten 38 entspricht, und P(x, y) die Position des Mittelpunkts des scheibenförmigen Magnetens 38 ist, in der die magnetische elastische Kraft ₂ und die Träg heitskraft ₁ im Gleichgewicht stehen, und wenn in diesem Fall das Maß an Bewegung des scheibenförmigen Magneten 38 klein ist, dann werden die folgenden Beziehungen erhalten:

wobei k ₂ eine Konstante ist. Wenn angenommen wird, daß | ₁ | = | ₂ |, dann gilt:

Daraus ergibt sich

P (x,y) = (k × | a | × cos R, k × | a | × sin R ),

wobei k=k ₂/(k ₁×m), so daß die Höhe der Beschleunigung aus der Lage P(x, y) des scheibenförmigen Magneten bestimmt werden kann.

Um die Höhe der Beschleunigung nach dem obigen Prinzip fest zustellen, sind zwei Hall-Elemente 50 a, 50 c den Südpolen des scheibenförmigen Magneten gegenüber angeordnet, so daß die Ausgangssignalpegel der Hall-Elemente 50 a, 50 c ansteigen, wenn sie sich näher an die entsprechenden Südpole heran bewegen. Die beiden Hall-Elemente 50 b und 50 d sind so ange ordnet, daß sie den Nordpolen des scheibenförmigen Magneten 38 gegenüberliegen, so daß die Ausgangssignalpegel der Hall-Elemente 50 b und 50 d ansteigen, wenn diese den entspre chenden Nordpolen näher kommen. Wenn in den Fig. 1a und 1b der scheibenförmige Magnet 38 längs der x-Achse bewegt wird, dann wird der Südpol, der dem Hall-Element 50 a zuge wandt ist, zu diesem Hall-Element 50 a bewegt, so daß der Ausgangssignalpegel des Hall-Elementes 50 a ansteigt, während der Ausgangssignalpegel vom diametral gegenüberliegenden Hall-Element 50 b abnimmt, da der dem Hall-Element 50 b zuge wandte Südpol davon wegbewegt wird. Aus dem Obigen ist er sichtlich, daß die Ausgangssignalpegel von allen Hall- Elementen umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen den einander zugewandten Polen und Hall-Elementen ist.

Differentialverstärker 76 und 78 in Fig. 3 geben Signale Vx und Vy mit einem Pegel aus, der dem Unterschied im Signal pegel der diametral gegenüberliegenden Paare von Hall- Elementen 50 a und 50 c oder 50 b und 50 d entspricht, um einen hohen Verstärkungsfaktor und eine gute Linearität und Temperaturkorrektur zu erhalten. Zu diesem Zweck wird der Unterschied zwischen den Signalpegeln von dem diametral gegenüberliegenden Paar von Hall-Elementen, d.h. 50 a und 50 c, berechnet, der proportional zur x-Komponente der Lage des scheibenförmigen Magneten 38 ist, wenn die Versetzung des scheibenförmigen Magneten 38 klein ist. In ähnlicher Weise wird der Unterschied zwischen den Signalpegeln des an deren Paares von diametral gegenüberliegenden Hall-Elementen, d.h. des Paares 50 b und 50 d, berechnet, der proportional zur y-Komponente der Lage des scheibenförmigen Magneten 38 ist.

Die Schaltung 82 in der äußeren Verarbeitungsschaltung 80 be rechnet auf der Grundlage der Differenzspannung Vx und Vy, den quadratischen Mittelwert sowie das Verhält nis Vy/Vx. Der zuerst genannte Wert entspricht der Höhe a der Beschleunigung, während der zuletzt genannte Wert den tan R der Richtung der Beschleunigung in Fig. 1b angibt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Menge des magnetischen Fluides 36, das im rohrförmigen Zwischenraum 28 aufgenommen ist, die dem Volumen der rohrförmigen Kammer 28 abzüglich des Volumens des scheibenförmigen Magneten 38 entspricht, vorzugsweise gleich der Gesamtmenge des magnetischen Fluids 36 ist, die vom scheibenförmigen Magneten 38 gehalten werden kann, wenn dieser sich frei bewegen kann. Die Gesamtmenge an magnetischem Fluid 36, die vom scheibenförmigen Magneten 38 gehalten werden kann, wenn dieser sich frei bewegen kann, ist die Gesamtmenge an magnetischem Fluid 36, die vom scheiben förmigen Magneten 38 gehalten werden kann und daran haftet, wenn der scheibenförmige Magnet 38 in ein magnetisches Fluid in einem Behälter unter üblichen Druck- und Temperaturver hältnissen eingesetzt wird. Wenn die Menge an magnetischem Fluid, das in den rohrförmigen Zwischenraum 28 gefüllt ist, größer als diese Menge des freien Zustandes ist, dann wird ein nicht empfindlicher Bereich bestehen, in dem sich das Ausgangssignal des Sensors selbst dann nicht ändert, wenn eine Beschleunigung auftritt. Wenn umgekehrt die Menge an magnetischem Fluid, die in den rohrförmigen Zwischenraum ge füllt ist, kleiner als die Menge des freien Zustandes ist, dann ist das Maß an Versetzung des scheibenförmigen Magneten 38 relativ verringert, was somit die Empfindlichkeit des Sensors herabsetzt.

In Fig. 6 sind in gestrichelten Linien die berechneten Be ziehungen zwischen der Beschleunigung und dem Ausgangssignal Vx von den diametral gegenüberliegenden Hall-Elementen 50 a und 50 c dargestellt, und in Fig. 7 sind in gestrichelten Linien die berechneten Beziehungen zwischen der Beschleuni gung und dem Ausgangssignal Vy von den diametral gegenüber liegenden Hall-Elementen 50 b und 50 d dargestellt. In Fig. 6 und 7 ist der Parameter R der Winkel der Richtung der Beschleunigung und wird Vx durch cosR ausgedrückt, während Vy durch sinR ausgedrückt wird. Die ausgezogenen Linien in Fig. 6 und 7 sind die tatsächlich erhaltenen Werte.

Die Fig. 8 und 9 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem statt der Aussparungen 49 a, 49 b, 49 c und 49 d des ersten Ausführungsbeispiels die eine Rückstellkraft erzeugenden Tei le und die Halteteile getrennt vorgesehen sind. Gleiche Bau teile mit ähnlichem Zweck sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher nicht nochmals beschrieben. Das Hauptgehäuse 10 weist eine Vielzahl von Vorsprüngen 200 a, 200 b, 200 c und 200 d als eine Rückstellkraft erzeugende Teile auf, die einen gleichen Winkelabstand voneinander haben. Die se Teile bilden jeweils ein rechteckförmiges Rohr, in dem Hall-Elemente 50 a, 50 b, 50 c und 50 d angeordnet sind. Das Gehäuse 10 ist gleichfalls mit Vorsprüngen 202 a, 202 b, 202 c und 202 d versehen, die zwischen benachbarten Vorsprüngen 200 a, 200 b, 200 c und 200 d angeordnet sind. Diese Teile 202 a, 202 b, 202 c, 202 d bilden jeweils eine sektorförmige Quer schnittsform nahe an der Außenfläche des scheibenförmigen Mag neten 38 und begrenzen zwei Wände 204 und 206, die in Richtungen verlaufen, die es erlauben zu verhindern, daß eine Drehkraft am magnetischen Fluid liegt.

Durch diese, in Umfangsrichtung andere Ausbildung der Rück stellteile 200 a, 220 b, 220 c und 200 d und der eine Drehung blockierenden Teile 202 a, 202 b, 202 c und 202 d kann der scheibenförmige Magnet 38 nur längs der x- und y-Achse bewegt werden, auf denen sich die Nord- und Südpole befinden, wobei eine Drehung des scheibenförmigen Magneten 38 durch die Halteteile verhindert ist. Das hat zur Folge, daß dieses Aus führungsbeispiel eine genaue Ermittlung der Höhe der Be schleunigung ohne Einfluß einer Drehung des scheibenförmigen Magneten 38 erlaubt.

Die Fig. 10 und 11 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem die in Umfangsrichtung beabstandeten und eine Rück stellkraft erzeugenden Teile und die Halteteile an den End flächen des Hauptgehäuses 10 und des Hilfsgehäuses 20 ausge bildet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Bauteile mit ähnlichem Zweck mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sie nicht nochmals im einzelnen beschrieben werden. Wie es in Fig. 12 dargestellt ist, weist das Hauptgehäuse 10 einen rohrförmigen Teil 12 mit einem geschlossenen Boden 12′ an einem axialen Ende auf und ist ein Flanschteil 14 in einem Stück mit dem rohrförmigen Teil 12 an dessen anderem axialen Ende ausgebildet. Der Boden (ein axiales Ende) des rohr förmigen Teils 12 ist mit zwei Paaren von diametral gegen überliegenden radialen Vorsprüngen 210 a und 210 c sowie 210 b und 210 d versehen. Das Hilfsgehäuse 20 ist gleichfalls mit einem rohrförmigen Teil 22 und einem Flanschteil 24 versehen, wobei der rohrförmige Teil 22 einen Boden (axiale Endfläche) aufweist, auf dem zwei Paare von diametral einander gegenüberliegenden radialen Vorsprüngen 212 a und 212 c sowie 212 b und 212 d ausgebildet sind. Diese Gehäuse 10 und 20 sind so miteinander verbunden, daß ihre axialen End flächen den jeweiligen axialen Endflächen des scheibenförmigen Magneten 38 zugewandt sind, wie es in Fig. 11 dargestellt ist, so daß die Vorsprünge durch den scheibenförmigen Magneten 38 axial beabstandet sind. Die Normallinien H, auf denen die Nord- und Südpole jeweils liegen, sind radial in der durch gestrichelte Linien in Fig. 12 dargestellten Weise zwischen benachbarten Paaren von gegenüberliegenden Vorsprün gen angeordnet.

Die Fig. 14 und 15 zeigen, wie das magnetische Fluid um die Pole des scheibenförmigen Magneten 38 herum magnetisiert wird. Das magnetisierte Fluid bildet im wesentlichen kugel förmige Teile 220 um jeden der Pole aus, die durch einen Zwischenteil 222 miteinander verbunden sind, der eine kleine Stärke hat, radial von den kugelförmigen Teilen beabstandet ist und sich in der Mitte des scheibenförmigen Magneten 38 befindet. Diese Teile örtlich erhöhter Dichte des magne tischen Fluides, die sich längs der Normallinien H er strecken (Fig. 10) sind im Zwischenraum angeordnet, der zwischen den benachbarten Vorsprüngen 210 a, 210 b, 210 c und 210 d auf der axialen Endfläche des Gehäuses 10, die dem scheibenförmigen Magneten 38 zugewandt ist, und zwischen den benachbarten Vorsprüngen 212 a, 212 b, 212 c und 212 d auf der axialen Endfläche des Gehäuses 10 gebildet ist, die dem scheibenförmigen Magneten 38 zugewandt ist. Wenn der schei benförmige Magnet 38 gedreht wird, erzeugen somit diese Vorsprünge 210 a, 210 b, 210 c und 210 d sowie 212 a, 212 b, 212 c und 212 d eine Kraft, die dieser Drehung entgegenwirkt, so daß eine Drehung des scheibenförmigen Magneten 38 im rohr förmigen Zwischenraum verhindert ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt eine magnetische viskose elastische Kraft am Teil des magnetischen Fluids mit höherer Dichte um die Pole des scheibenförmigen Magneten 38 zwischen den einander zugewandten Flächen des scheibenförmi gen Magneten 38 und des Gehäuses 10, um die Trägheitskraft auszugleichen, die am scheibenförmigen Magneten 38 in der x-y-Ebene liegt, wenn eine Beschleunigung am scheibenförmi gen Magneten 38 in der x-y-Ebene liegt, so daß der scheiben förmige Magnet 38 eine Lage P(x, y) einnimmt, in der die magnetische Kraft und die Trägheitskraft im Gleichgewicht stehen. Ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist der axiale Abstand zwischen den einander zugewandten axialen En den des Gehäuses 10 und des scheibenförmigen Magneten 38 kleiner als der Abstand zwischen den einander zugewandten Umfangsseiten des Gehäuses 10 und des scheibenförmigen Magneten 38, um eine Empfindlichkeit nur in der x-y-Ebene sicherzustellen. Um Signale zu erhalten, die die x-y-Lage des scheibenförmigen Magneten 38 angeben, sind Paare von gegen überliegenden Hall-Elementen 50 a und 50 c sowie 50 b und 50 d auf den radialen Linien H vorgesehen, auf denen die Pole des scheibenförmigen Magneten 38 angeordnet sind.

Bei dem vierten, in Fig. 16a und 17 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel wird das Maß an Beschleunigung über eine Drehung des scheibenförmigen Magneten 38 erfaßt. Wie es in Fig. 18 dargestellt ist, sind Vorsprünge 210 a, 210 b, 210 c und 210 d auf der axialen Bodenfläche des Hauptgehäuses 10 ausgebildet, und sind Vorsprünge 212 a, 212 b, 212 c und 212 d auf der axialen oberen Wand des Hilfsgehäuses 20 vorgesehen. Diese Vorsprünge 210 a, 210 b, 210 c und 210 d auf der Bodenwand und die Vorsprünge 212 a, 212 b, 212 c und 212 d auf der axialen oberen Wand sind einander zugewandt angeordnet, so daß vier Paare von axial gegenüberliegenden Vorsprüngen 210 a und 212 a, 210 b und 212 b, 210 c, 212 c und 210 d und 212 d vorgesehen sind.

Die Anzahl der Pole des scheibenförmigen Magneten 38 ist gleich der Anzahl der Paare von Vorsprüngen, und die Stärke des scheibenförmigen Magneten ist etwas kleiner als die des rohrförmigen Zwischenraumes 28 in axialer Richtung, und zwar um die axiale Stärke des Vorsprungs. Der Durchmesser des scheibenförmigen Magneten 38 ist etwas kleiner als der Innen durchmesser des rohrförmigen Zwischenraums 28. Der Unterschied zwischen dem Durchmesser des scheibenförmigen Magneten 38 und dem Innendurchmesser des rohrförmigen Zwischenraums 28 ist gleich dem Unterschied zwischen der axialen Stärke des scheibenförmigen Magneten 38 und der axialen Stärke des Zwischenraums 28.

Ein ringförmiger Schlitz 300 (Fig. 16a) ist zwischen dem Gehäuse 10 und dem scheibenförmigen Magneten 38 gebildet, wobei die Stärke δ ₃ des Schlitzes 300 klein genug ist, um eine Translationsbewegung des scheibenförmigen Magneten 38 zu verhindern. Wie es bereits anhand der vorhergehenden Aus führungsbeispiele beschrieben wurde, werden Teile mit örtlich erhöhter Dichte des magnetischen Fluides neben den Polen des scheibenförmigen Magneten 38 gebildet. Der ring förmige Schlitz 300 mit kleiner Stärke erlaubt es, daß diese Teile eine große magnetische viskose elastische Kraft zwischen den Polen des scheibenförmigen Magneten 38 und der inneren kreisförmigen Wand des Gehäuses 10 als Translations sperre erzeugen, so daß jede Translationsbewegung des scheibenförmigen Magneten 38 unter Kontrolle ist. Radiale Sektorbereiche 302 (Fig. 18) jeweils mit einer axialen Stärke, die größer als die des ringförmigen Schlitzes 300 ist, sind zwischen den axial einander zugewandten Wänden des scheibenförmigen Magneten 38 und des Hauptgehäuses 10 und des scheibenförmigen Magneten 38 und des Hilfsgehäuses 20 gebildet. Die Vorsprünge 210 a-d und 212 a-d sind zwischen den Sektorteilen ausgebildet und stehen zum scheibenförmigen Magneten 38 vor, so daß ein Schlitz 304 (Fig. 16a) zwischen den Vorsprüngen und dem scheibenförmigen Magneten 38 ge bildet ist. Diese Vorsprünge sind entlang der Zwischenradial linien K (Fig. 16a) zwischen den Normallinien H angeordnet, auf denen die Pole des scheibenförmigen Magneten 38 liegen. Die Vorsprünge 210 a-d und 212 a-d liefern eine Rückstell kraft für die Drehbewegung des scheibenförmigen Magneten 38, die nach Maßgabe der Höhe der Drehbeschleunigung auf tritt, die in der x-y-Ebene des scheibenförmigen Magneten 38 wirkt. Ein Paar von diametral gegenüberliegenden Hall- Elementen 50 a und 50 b (Fig. 16a) ist auf einer der Zwischen radiallinien K angeordnet, um die Winkelposition des scheibenförmigen Magneten 38 zu erfassen.

Fig. 20 zeigt das Blockschaltbild der Verarbeitungsschaltung 54 des vierten Ausführungsbeispiels. Die Verarbeitungs schaltung 54 enthält zwei Differentialverstärker 320, 322, deren Eingänge jeweils mit den Hall-Elementen 50 a und 50 b verbunden sind, sowie einen Differentialverstärker 324 mit zwei Eingängen, die mit den Ausgängen der Verstärker 320 und 322 jeweils verbunden sind.

Wenn während der Arbeit des in den Fig. 16 bis 20 darge stellten Ausführungsbeispiels am scheibenförmigen Magneten 38 eine Beschleunigung liegt, dann liegt eine Trägheits kraft am scheibenförmigen Magneten 38, die ihn zwingt, sich um die Achse des Gehäuses 10 zu drehen. Da die Teile des magnetischen Fluids mit örtlich erhöhter Dichte den Vor sprüngen 210 a bis 210 d und 212 a bis 212 d als ein Rückdreh moment erzeugende Teile entgegenwirken, wird ein magneti sches viskoses Rückdrehmoment erzeugt und an den scheiben förmigen Magneten 38 gelegt, so daß der scheibenförmige Magnet 38 in einer Winkelposition zum Stillstand kommt, in der die magnetische viskose elastische Kraft im Gleichgewicht mit dem Trägheitsdrehmoment steht. Ein Signal, das der Höhe der Beschleunigung entspricht, kann nämlich dadurch erhal ten werden, daß die Winkelposition des scheibenförmigen Magneten 38 im rohrförmigen Zwischenraum 28 erfaßt wird. Die Erfassung der Winkelposition des scheibenförmigen Mag neten 38 kann durch die Hall-Elemente 50 a und 50 b erfolgen.

Wenn der scheibenförmige Magnet 38 frei eine Translations bewegung in der Ebene parallel zum scheibenförmigen Magneten 38 selbst ausführen kann, dann kann der Drehbeschleunigungs effekt nicht vom Effekt der linearen Translationsbewegung getrennt werden. Der Zwischenraum zwischen der inneren Um fangswand des Gehäuses 10 und der gegenüberliegenden äußeren Umfangswand des scheibenförmigen Magneten 38 ist daher so gewählt, daß diese Translationsbewegung verhindert ist.

Es sind obere und untere Vorsprünge auf den Seitenflächen vorgesehen, auf die die Teile mit örtlich erhöhter Dichte des magnetischen Fluids wirken, um eine magnetische viskose elastische Kraft zu liefern, die ein Rückdrehmoment erzeugt, das am scheibenförmigen Magneten 38 liegt. Dieser Effekt der Teile mit örtlich erhöhter Dichte kann zwischen der inneren Umfangswand des Gehäuses und der äußeren Umfangswand des scheibenförmigen Magneten 38 erhalten werden, so daß wirksam eine Translationsbewegung im rohrförmigen Zwischenraum 38 verhindert werden kann und sich folglich der scheibenförmige Magnet 38 im rohrförmigen Zwischenraum 28 nur drehen kann.

Ähnlich wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist der scheibenförmige Magnet 38 so angeordnet, daß er sich in axialer Richtung nicht bewegen kann. Das dient nicht nur dazu, die Translationsbewegung in der horizontalen Ebene zu verhindern, sondern auch dazu, eine Translationsbewegung in der vertikalen Ebene zu verhindern. Zu diesem Zweck sind die Abstände zwischen den einander zugewandten Umfangswänden des scheibenförmigen Magneten 38 und des rohrförmigen Zwischen raums 28 und zwischen den einander zugewandten axialen Endwänden des scheibenförmigen Magneten 38 und der rohrför migen Kammer 28 im wesentlichen gleich, wobei sie einen klei nen Wert haben. Wie es bereits bei dem dritten, in den Fig. 14 und 15 dargestellten Ausführungsbeispiel erwähnt wurde, sind die Teile des magnetischen Fluids mit örtlich erhöhter Dichte nicht nur auf der äußeren Umfangswand des scheibenförmigen Magneten 38, sondern auch auf seinen Endwänden ausgebildet. Der kleine Abstand zwischen den einander zugewandten Umfangs wänden und zwischen den einander zugewandten Endwänden erlaubt zusammen mit einer geeigneten Wahl des Flächenbereiches der axialen Endwände der Vorsprünge 210 a-d und 212 a-d, daß die Teile mit örtlich erhöhter Dichte des magnetischen Fluids den beschränkten Zwischenraum füllen, was eine Bewegung des scheibenförmigen Magneten 38 in axialer Richtung aufgrund einer axialen Beschleunigung verhindert.

Wie es oben beschrieben wurde, sind bei diesem Ausführungs beispiel der scheibenförmige Magnet 38 und das magnetische Fluid 36 dicht im rohrförmigen Zwischenraum 28 angeordnet und sind Paare von diametral gegenüberliegenden radialen Vorsprün gen 210 a und 210 c, 210 b und 210 d, 212 a und 212 c und 212 b und 212 d in einer Anzahl gleich der Anzahl der Pole des scheiben förmigen Magneten 38 zwischen den einander zugewandten Endwän den des scheibenförmigen Magneten 38 und des rohrförmigen Zwischenraums 28 angeordnet, wobei der Durchmesser des scheibenförmigen Magneten 38 etwas kleiner als der Innendurch messer des rohrförmigen Zwischenraums 28 ist, während die axiale Länge des rohrförmigen Zwischenraums 28 etwas größer als die des scheibenförmigen Magneten 38 ist. Das hat zur Folge, daß (1) der scheibenförmige Magnet 38 schwebend und stabil im magnetischen Fluid 36 gehalten ist, das in den rohrförmigen Zwischenraum 28 gefüllt ist, (2) am scheiben förmigen Magnet 38 eine Rückstellkraft aufgrund der magnetisch viskosen Elastizität liegt und (3) eine Translationsbewegung des scheibenförmigen Magneten 38 verhindert ist.

Das hat zur Folge, daß eine bestimmte Winkelposition des scheibenförmigen Magneten 38, d.h. eine bestimmte Position jedes seiner Pole, nach Maßgabe des Wertes der Höhe der Beschleunigung erhalten wird, und daß somit die Höhe der Be schleunigung dadurch ermittelt werden kann, daß die Lage der Pole durch den Magnetsensor, wie beispielsweise das Hall- Element, erfaßt wird.

In Fig. 16b entspricht die x-Achse der ersten Zwischenachse K, auf der die Hall-Elemente 50 a und 50 b liegen, und entspricht die y-Achse der zweiten Zwischenachse K unter einem Winkel von 90° bezüglich der ersten Zwischenachse K. Wenn in Fig. 16a keine Beschleunigung auftritt, dann wird der scheibenförmige Magnet 38 stabil in einer Winkelposition gehalten, in der die Achse zwischen den Südpolen einen Winkel von 45° bezüglich der x-Achse einschließt, und die Achse der Nordpole einen Winkel von 45° bezüglich der y-Achse einschließt. Wenn eine Winkelbeschleunigung auftritt, wie es in Fig. 16b dargestellt ist, dann liegt eine Winkelbeschleunigung am scheibenförmi gen Magneten 38 bezüglich des Hauptgehäuses 10. Die Winkelbe schleunigung hat dieselbe Höhe wie die Beschleunigung , jedoch die entgegengesetzte Richtung. Das Trägheitsdrehmoment T₁ am scheibenförmigen Magneten 38 läßt sich ausdrücken als:

T₁ = K₁ × m × a,

wobei m das Gewicht des scheibenförmigen Magneten 38 ist und K₁ eine Konstante bezeichnet, die durch verschiedene Bedingun gen bestimmt ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß das magnetisch elastische Dreh moment T ₂ die gleiche Höhe wie das Trägheitsdrehmoment T ₁, jedoch die umgekehrte Richtung hat.

In der horizontalen Querschnittsebene des rohrförmigen Zwischenraumes 28 ist sein Mittelpunkt der Drehmittelpunkt, wobei der Ursprungspunkt der Drehung eine Winkelposition ist, in der die Verbindungslinie der Südpole des scheiben förmigen Magneten 38 identisch mit der Verbindungslinie der Hall-Elemente 50 a und 50 b ist. Wenn das magnetisch elastische Drehmoment T ₂ durch das Trägheitsdrehmoment T ₁ ausgeglichen ist, dann gilt:

| T₂ | = K₂ × sin (4 R)

wobei P (R, R ) die Position eines Poles des scheibenförmigen Magneten 38 ist und K₂ eine Konstante bezeichnet.

Wenn angenommen wird, daß | T₁ | = | T₂ | in einem Bereiche kleiner Werte von R ist, dann gilt:

| a | = (K₂/K₁ × m) × R
(R, R ) = (R, | a |/k)

wobei k=k ₂/(k ₁×m), so daß die Winkelbeschleunigung er mittelt werden kann, wenn die Lage der Pole P (R, R) bekannt ist.

In Fig. 16a sind die Hall-Elemente 50 a und 50 b den diametral gegenüberliegenden Nordpolen des scheibenförmigen Magneten 38 zugewandt und sind die Hall-Elemente 50 a und 50 b so ange ordnet, daß der positive Pegel ihrer Ausgangssignale zunimmt, wenn sie näher am Nordpol des scheibenförmigen Magneten 38 angeordnet sind. Wenn in den Fig. 16a und 16b somit der scheibenförmige Magnet 38 in die Richtung R gedreht wird, dann werden die Nordpole des scheibenförmigen Magneten 38 zum Hall-Element 50 a bewegt, was zu einer Zunahme des Ausgangs signalpegels des Hall-Elementes 50 a führt. Dieser Ausgangs signalpegel ist nahezu proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen dem Hall-Element und dem Pol.

Die Summe der Ausgangssignale der Hall-Elemente 50 a und 50 b ist daher annähernd proportional zur Position des Pols, wenn die Winkelversetzung des scheibenförmigen Magneten 38 klein ist, was einen höheren Übertragungs- oder Verstärkungsfaktor ermöglicht. Selbst wenn eine Translationsbewegung des schei benförmigen Magneten 38 auftritt, nimmt dennoch das Ausgangs signal des Hall-Elementes 50 a zu und das Ausgangssignal des Hall-Elementes 50 b dementsprechend ab, so daß die Summation nur eine kleine Änderung ergibt. Es ist daher möglich, ein Signal vom Anschluß der Verarbeitungsschaltung zu erhalten, dessen Pegel der Höhe der Beschleunigung entspricht.

Fig. 21 zeigt die Beziehung zwischen der auftretenden Be schleunigung und dem Ausgangssignalpegel V ₀ des Verstärkers 324. In dieser graphischen Darstellung ist R der Winkel zwischen der Achse der Südpole und der X-Achse.

Bei dem vierten Ausführungsbeispiel sind zwei Paare von Po len und zwei Paare von diametral gegenüberliegenden Vorsprün gen vorgesehen, was jedoch keine Beschränkung darstellt, vorausgesetzt, daß die Anzahl der Paare von Polen gleich oder größer als 2 ist, und die Anzahl der Paare von Vorsprüngen gleich oder größer als 1 ist.

Obwohl zwei Hall-Elemente als magnetische Sensoren vorgesehen waren, stellt auch das keine Beschränkung dar,vorausgesetzt, daß die Anzahl der Hall-Elemente gleich oder größer als 1 ist, wobei ihre Lage nicht beschränkt ist.

Wie es in Fig. 22 dargestellt ist, kann der scheibenförmige Magnet 38 eine Ringform haben, und kann der magnetische Sensor 50 im Raum im Inneren des ring- und scheibenförmigen Magneten 38 angeordnet sein.

Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß bei allen Ausfüh rungsbeispielen das Hall-Element durch einen andersartigen magnetischen Sensor, beispielsweise durch ein Magnetwider standselement oder eine Spule, ersetzt sein kann.

Beschleunigungssensor zum Erfassen einer Beschleunigung in einer Ebene, mit einem Gehäuse und einem scheiben förmigen Magneten, der in einem magnetischen Fluid im Gehäuse angeordnet ist. Die Bewegung des scheibenförmigen Magneten ist begrenzt, d.h. eine Translationsbewegung oder Drehbewegung kann nur in der Ebene auftreten, indem Vorsprünge im Gehäuse aus gebildet sind, zwischen denen das magnetische Fluid eine erhöhte Dichte neben den Polen des scheibenförmigen Magneten bekommt, so daß nur eine Translationsbewegung möglich ist, oder indem kleine Umfangswände zwischen dem Gehäuse und dem scheibenförmigen Magneten und radiale Vorsprünge zwischen den Stirnwänden des Gehäuses im scheibenförmigen Magneten ausgebildet sind, so daß nur eine Drehbewegung möglich ist. Ein Hall-Element gibt ein Signal aus, das der Lage des scheibenförmigen Magneten entspricht, um dadurch das Maß an Be schleunigung zu ermitteln.

Claims

1. Beschleunigungssensor, gekennzeichnet durch
ein Gehäuse (10) aus einem nicht-magnetischen Material, das eine im wesentlichen rohrförmige Kammer (28) be grenzt, die eine Umfangswand und axial beabstandete Seitenwände aufweist,
ein magnetisches Fluid (36), das in der rohrförmigen Kammer (28) aufgenommen ist, einen scheibenförmigen Permanentmagneten (38), der in der rohrförmigen Kammer (28) angeordnet ist, wobei der scheibenförmige Magnet (38) eine äußere Umfangswand und axial beabstandete Seitenwände aufweist und mit winkel beabstandeten Polstücken versehen ist, die ein benach bartes Magnetfeld erzeugen, so daß Teile mit örtlich er höhter Dichte des magnetischen Fluids neben den Pol stücken längs der äußeren Umfangswand und längs der Seitenwände des scheibenförmigen Magneten (38) gebildet werden, Magnetsensoreinrichtungen (50 a-d), die fest am Gehäuse (10) angebracht sind und Änderungen im Magnetfluß von den Polstücken des scheibenförmigen Magneten (38) gegen über den Sensoreinrichtungen (50 a-d) wahrnehmen, die von einer Bewegung des scheibenförmigen Magneten (38) relativ zum Gehäuse (10) hervorgerufen werden, wobei die Magnetsensoreinrichtungen (50 a-d) eine Lage des schei benförmigen Magneten (38) wahrnehmen, in der das Träg heitsmoment des scheibenförmigen Magneten (38), das durch die Beschleunigung erzeugt wird, durch eine magnetische viskose elastische Kraft des magnetischen Fluids (36) ausgeglichen ist, die durch den Teil mit örtlich er höhter Dichte des magnetischen Fluids (36) in der Kammer (28) zwischen der äußeren Umfangswand des scheibenförmigen Magneten (38) und der Umfangswand der Kammer (28) hervorgerufen wird, und wobei der Abstand zwischen den einander zugewandten, axial beabstandeten Seitenwänden des scheibenförmigen Magneten (38) und der Kammer (28) so gewählt ist, daß eine axiale Bewegung des scheibenförmigen Magneten (38) im wesentlichen verhindert ist, und
Einrichtungen zum Begrenzen der Bewegung des scheiben förmigen Magneten (38) derart, daß im wesentlichen nur eine Art der Bewegung des scheibenförmigen Magneten (38) relativ zum Gehäuse (10) in der Ebene des scheibenförmi gen Magneten (38) möglich ist, wenn eine Beschleunigung auftritt, wodurch eine genaue Erfassung der Höhe der Beschleunigung durch die Magnetsensoreinrichtungen (50 a-d) möglich ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtungen Einrichtungen umfas sen, die in einem Stück mit dem Gehäuse (10) ausgebildet sind und winkelbeabstandete Vorsprünge (42) bilden, die zwischen benachbarten Polstücken des scheibenförmigen Magneten (38) angeordnet sind, wobei die Vorsprünge (42) Haltewände begrenzen, die so verlaufen, daß sie die Umfangsrichtung des scheibenförmigen Magneten (38) im wesentlichen schneiden, so daß eine Drehbewegung des scheibenförmigen Magneten (38) durch den Teil mit örtlich erhöhter Dichte des magnetischen Fluids ver hindert ist, der auf die Haltewände wirkt, während eine Translationsbewegung des scheibenförmigen Magneten (38) erlaubt ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltewände radial außerhalb von der äußeren Umfangswand des scheibenförmigen Magneten (38) ange ordnet sind.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltewände in einem Stück von den axial beab standeten Seitenwänden der Kammer (28) ausgehen.

5. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltewände axial außerhalb der Seitenwände des scheibenförmigen Magneten (38) angeordnet sind.

6. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetsensoreinrichtungen (50 a-d) so angeordnet sind, daß sie wenigstens zwei Magnetsensoreinrichtungen bilden, die einen Winkelabstand von 90° zueinander haben, und daß eine Schaltung (80), die den quadrati schen Mittelwert der Ausgangssignale der Magnetsensor einrichtungen (50 a-d) im Winkelabstand von 90° bildet, und eine Schaltung (80) vorgesehen sind, die das Ver hältnis der Ausgangssignale der Sensoren im Winkelab stand von 90° bildet.

7. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtungen mehrere winkelbeabstan dete Vorsprünge (210, 212) umfassen, die so verlaufen, daß sie die Umfangsrichtung des scheibenförmigen Magne ten (38) schneiden, die Polstücke des scheibenförmigen Magneten (38) zwischen benachbarten Vorsprüngen (210, 212) so angeordnet sind, daß eine Translationsbewegung des scheibenförmigen Magneten (38) verhindert und eine Drehbewegung des scheibenförmigen Magneten (38) erlaubt ist, bis eine Winkelposition erreicht ist, in der das Winkelträgheitsmoment des scheibenförmigen Magneten (38) im Gleichgewicht zu der magnetischen viskosen elastischen Kraft der Teile mit örtlich erhöhter Dichte des magnetischen Fluids zwischen den benachbarten Vorsprüngen (210, 212) steht, um ein Erfassen der Win kelbeschleunigung aus der Winkelposition des scheiben förmigen Magneten (38) zu ermöglichen, die durch die Magnetsensoreinrichtungen (50 a, 50 b) erfaßt wird.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die winkelbeabstandeten Vorsprünge (210, 212) in einem Stück von den axial beabstandeten Seitenwänden der Kammer (28) zu den gegenüberliegenden axial beab standeten Seitenwänden des scheibenförmigen Magneten (38) vorstehen.

9. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetsensoreinrichtungen (50 a, 50 b) auf einer radialen Linie des scheibenförmigen Magenten (38) und in einem Winkelabstand zwischen einem mittleren Teil der im gleichen Winkelabstand angeordneten Polstücke mit entgegengesetzter Polarität angeordnet sind.

10. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetsensoreinrichtungen (50 a-d) Hall-Elemente umfassen.

11. Beschleunigungssensor, gekennzeichnet durch
ein Gehäuse (10) aus einem nicht-magnetischen Material, das eine im wesentlichen rohrförmige Kammer (28) be grenzt, die eine Umfangswand und axial beabstandete Seitenwände aufweist,
ein magnetisches Fluid (36), das in der rohrförmigen Kammer (28) aufgenommen ist,
einen scheibenförmigen Permanentmagneten (38), der in der rohrförmigen Kammer (28) angeordnet ist, wobei der scheibenförmige Magnet (38) eine äußere Umfangswand und axial beabstandete Seitenwände aufweist und mit winkel beabstandeten Polstücken versehen ist, die ein benach bartes Magnetfeld bilden, so daß Teile mit örtlich erhöhter Dichte des magnetischen Fluids neben den Polstücken längs der äußeren Umfangswand und der Seitenwände des scheibenförmigen Magneten (38) gebildet werden, wobei der scheibenförmige Magnet (38) eine Ebene senkrecht zur Achse der Kammer (26) bildet und so angeordnet ist, daß er in seiner Ebene bewegt werden kann, um eine Translationsbewegung oder Drehbewegung zu erzeugen,
Magnetsensoreinrichtungen (50 a-d), die fest am Gehäuse (10) angebracht sind und Änderungen im Magnetfluß von den Polstücken des scheibenförmigen Magneten (38) gegenüber den Sensoreinrichtungen (50 a-d) erfassen, die durch eine Bewegung des scheibenförmigen Magneten (38) relativ zum Gehäuse (10) verursacht werden, wobei die Magnetsensoreinrichtungen (50 a-d) eine Lage des scheibenförmigen Magneten (38) erfassen, in der das Trägheitsmoment des scheibenförmigen Magneten (38), das durch die Beschleunigung erzeugt wird, im Gleichgewicht mit einer magnetischen viskosen elastischen Kraft des magnetischen Fluids steht, die durch die Teile mit örtlich erhöhter Dichte des magnetischen Fluids (36) in der Kammer (28) erzeugt wird,
der Abstand zwischen den einander zugewandten axial beabstandeten Seitenwänden des scheibenförmigen Magne ten (38) und der Seitenwände der Kammer (28) so gewählt ist, daß eine axiale Bewegung des scheibenförmigen Magneten (38) im wesentlichen verhindert ist, und Einrichtungen, die verhindern, daß der scheibenförmige Magnet (38) die jeweils andere Bewegung, nämlich die Translations- oder Drehbewegung ausführt.