JP2005351793A

JP2005351793A - 加速度計測装置

Info

Publication number: JP2005351793A
Application number: JP2004173820A
Authority: JP
Inventors: Kimihiko Nakano; 公彦中野; Takashi Saito; 俊斉藤; Daisuke Takii; 大輔滝井; Takuo Takiguchi; 拓夫瀧口; Masahiro Matsunaga; 全央松永
Original assignee: MN Engineering Co Ltd
Current assignee: MN Engineering Co Ltd
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】
加速度計測装置に係わり、更に詳しくは、永久磁石の振動子の振動を利用した振動型加速度計の新規な構造に係わるものである。
【解決手段】
永久磁石からなる振動子と、該振動子の磁束と交差する位置に配置された電磁誘導コイルを備えてなる加速度センサー部と、加速度発生時、該センサー部の振動子に誘起される振動で該コイルに誘起される起電力に基づいて加速度を演算する演算装置からなることを特徴とし、上記誘導コイルとして２組配置し、一つのコイルで加速度を検知し、もう一つを加速度演算装置の電源に利用することを特徴とし、上記振動子が磁気バネで懸吊した構造からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度計測装置に係わり、更に詳しくは、永久磁石の振動子の振動を利用した振動型加速度計の新規な構造に係わるものである。

地震、建築物の振動計測、原子炉の中性子反射体の振動計測、自動車の車体速度の推定、自動車のエアバック駆動センサー等々、加速度計には従来より多岐にわたる用途がある。
従来の加速度計の構造は、検知エレメントと、検知エレメントから出された電気信号を加速度に変換する電気信号変換装置からなっている。検知エレメントには圧電材料、圧電抵抗材料、ひずみゲージ等が使用されているが、これら検知エレメントと変換装置は、常に振動環境に置かれ、又外部より有線で電力を供給されている。従って有線の電力供給系で断線、接続不良等の電気系の故障が発生する危険性が極めて高いのが現状である。又圧電材料、圧電抵抗材料、ひずみゲージ等の長期間の使用による疲労劣化等も発生し、装置の信頼性低下の問題もある。

特開昭8-178954号公報特開昭９-318657号公報特開2000-121660号公報特開2002-14111号公報従来文献、たとえば上記１〜４の文献に記載された発明は検知エレメントの発明であって、電力供給の有線方式を解決する発明は何ら記載されていない。又記載されたエレメントそのものも構造が複雑で、長期使用による疲労劣化は避けがたい欠点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、構造が極めて単純かつ頑丈で、故障がなく、長期使用による疲労劣化の問題が発生しがたく、かつ振動そのものを利用して発電して、その電力で検知エレメントと変換装置を作動させ、かつ離れた場所に無線で信号を伝送できる自己給電式の新しい構造の加速度計を提供せんとするものである。

本発明者は、上記問題に関して鋭意研究を行い、下記(1)〜(5)の手段で問題を解決できることを見出した。
すなわち、
永久磁石からなる振動子と、該振動子の磁束と交差する位置に配置された電磁誘導コイルを備えてなる加速度センサー部と、加速度発生時、該センサー部の振動子に誘起される振動で該コイルに誘起される起電力に基づいて加速度を演算する演算装置からなることを特徴とする加速度計測装置。
(2)上記誘導コイルに誘起される電力で上記演算装置を作動させることを特徴とする上記(1)請求項１に記載の加速度計測装置。
(3)上記誘導コイルとして２組配置し、一つのコイルで加速度を検知し、もう一つを加速度演算装置の電源に利用することを特徴とする上記(1)あるいは(2)に記載の加速度計測装置。
(4)上記振動子が永久磁石をバネで懸吊した構造からなることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の加速度計測装置。
(5)上記振動子が磁気バネで懸吊した構造からなることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の加速度計測装置。

本発明は下記の効果を有する。
加速度検出エレメントの構造が単純かつ頑丈で、故障がなく、長期使用による疲労劣化がない。
発生した振動そのものを利用して加速度の検知と発電の両方を行い、外から電力の供給が不要である。
加速度の検知情報を無線で外部に伝送できる。
安価に製造できる。

図面によって本発明の作用、機能を説明する。
図１は、本発明装置の作用、機能を説明した図である。
本発明装置は、基本的には、加速度センサー部と、そのセンサー部に誘起される起電力に基づいて加速度を演算する演算装置から構成されている。
演算装置には必要に応じて加速度計測値を表示する表示部を付属して備えている。また必要に応じて、計測値を無線で送信する無線送信装置を備えている。無線送信装置は、本発明装置から離隔して配置された制御装置部に、計測値を無線で送信して、加速度のレベルに応じて制御装置を駆動させる。たとえば自動車のエアバック等の駆動装置に計測値を無線で送信して瞬時に作動させる機構を備えている。

加速度センサー部は、永久磁石製の振動子と電磁誘導コイルから構成されており、コイルは振動子の磁束と交差する位置に配置されている。
振動子は加速度に応じて振動する。従って電磁誘導コイルには加速度に応じて起電力が誘起される事となる。

振動子と電磁誘導コイルの相対速度をｖ、コイルに誘起される起電力をｅとすると、
以下の関係式(1)が成立する。
ｅ＝Φｖ ‥‥ (1)

このときの加速度Ｕは、下記(2)式から推定できる。
ｍは振動子の質量、ｋは振動子を懸吊するバネのバネ定数、ｃはバネの減衰係数
とすると、

Ｕ＝dv/dt − c/m・ｖ − k/m・∫ｖdt ‥‥ (2)

Φ、ｍ、ｋ、ｃは装置に付随する固有の定数であり、装置完成時に実験的に求めておく。
加速度Ｕは、時間t_１、ｔ_２、‥、t_nにおけるそれぞれの起電力ｅ₁、ｅ₂、‥、ｅ_nを計測し、これよりｖ₁、ｖ₂、‥、ｖ_nを演算装置で計算して求め、 (2)式を使って演算装置で数値計算して求める。

本発明の振動子は永久磁石で形成されており、バネで機械的に懸吊されており、あるいは磁気バネで空中に浮遊するように懸吊されており、加速度が発生した時に振動する。

図２、図３は本発明の磁気ばねの構造を説明した図である。
非磁性ケース１の両端には永久磁石２、３が固定されている。
２個の永久磁石２、３の間には、振動子４が配置されている。
振動子４は永久磁石からなり、両端の永久磁石２、３から離隔して配置され、ケース１
の中を上下自在、あるいは左右自在に動ける様になっている。振動子４の磁石の極性は、対向する永久磁石２、３の極性と同じにされており、互いに反発する関係にある。

ケース１に外から振動を与えると、振動子４は上下（あるいは左右自在）に振動するようになる。振動子４が永久磁石２に接近すると、磁気的な反発力が働き、永久磁石３の方向に押しやられる。永久磁石３に接近すると再び永久磁石２の方向に押しやられる。このようにして振動子４は永久磁石２、３の間を往復振動することとなる。

振動子４を形成する永久磁石は１個（図２）でも良いし、あるいは複数個直列（図３）に並べても良い。図２は１個の場合、図３は複数個並べた場合である。
複数個並べる時は、向かい合う面の極性は同じにして互いに反発する関係にする。同じ極性にするとくっついて１個の永久磁石になってしまうので好ましくない。

図４〜図７は本発明装置の加速度センサー部の構造を説明した図である。
図４、図５は、両端に固定した永久磁石と振動子の間に電磁誘導コイルを配置した時の説明図で、図５はコイルに鉄芯を入れたときの説明図である。
図６は振動子の外周にコイルを配置した時のコイルと振動子の位置関係の説明図、図７は振動子の外周にコイルを配置し、振動子は永久磁石を複数個直列に並べた時の説明図である。

図４、図５で、樹脂あるいはステンレス鋼等の非磁性ケース１の両端に永久磁石２、３が固定されている。
永久磁石２、３の間には振動子４が配置され、振動子４と永久磁石２、３の間には電磁誘導コイル５が配置されている。
振動子４は永久磁石で出来ており、その極性は対向する永久磁石２、３の極性（Ｎ、Ｓ）と同じ極性にされており、互いに反発する関係にある。
振動子４は永久磁石２、３の間で、磁力的にバランスの取れた位置に静止する。外から振動を与えられて振動子４が永久磁石２に接近すると、磁気的な反発力が働き、永久磁石３の方向に押しやられる。永久磁石３に接近すると再び永久磁石２の方向に押しやられる。このようにして振動子４は永久磁石２、３の間を往復振動することとなる。

振動子４が永久磁石２、３に接近したり離れたりしてコイルを横切る磁束が変化することによってコイルに起電力が誘起されることとなる。

図５に示した様にコイルに予め高透磁率の鉄芯を入れておくと、コイルにはより高い起電力が誘起される。高透磁率材料としては、電磁軟鉄、珪素鋼板、パーマロイ、センダスト、Fe-Al合金、アモルファス合金、軟磁性フェライト等、通常この種の用途に使用されている材料は全て使用できる。

コイルと振動子の配置は、少なくとも加速度センサーの測定に必要な起電力が得られる位置に配置すればよく、必ずしもコイルに誘起される起電力が最大になる位置に設定する必要はないが、装置の小型化、効率等を勘案すると、起電力が最大になる位置に設定する方が好ましい。即ち、振動子の少なくとも一方の端（図６の振動子のＮ極）がコイルの上端を出入りする時、及びコイルの全長の中で振動する時に、誘起起電力が最も大きくなるので、コイルと振動子はこのような位置関係に設定する方が良い。
図６で点線は、振動子が振動するときの上死点、下死点の位置を示す。振動子は上の点線の位置と下の点線の位置の間で振動する。

コイルの数と振動子の永久磁石の数は必ずしも同数でなくても良い。図７の様に、振動子の永久磁石が３個、コイルが２個で、永久磁石の数が多くても良いし、またコイルの数が多くても良い。

本発明装置の振動子は、その振動周波数の範囲が概ね3.5Hz以上の時、誘起起電力が高
くなり、最も精度良く加速度計測できる。自動車のエンジンの振動、風、波、橋梁の振動、
人が激しく動く時では3.5Hz以上の振動が得られるので、これらに積載して最も精度良く
加速度計測できる。

本発明装置の電磁誘導コイルには、交流が誘起される。そのまま使用しても良いが、コ
イルの端末に整流器を接続して直流に変換して、あるいは変換した直流は更にレギュレーターで電圧を昇圧して使用しても良い。あるいは本発明装置に電池を備えておき、発電電力を電池に充電するようにしても良い。
コイルは１つのコイルで計測用の電源、演算装置作動用の電源あるいは無線送信用の電源全てをまかなうようにしても良いし、あるいは用途別にそれぞれ分割しても良い。

本発明振動子を振動させるバネは、磁気バネだけに限定されるものではなく、図８に示す通常のスパイラル型の巻きバネでも良い。

本発明に使用する電磁誘導コイルは巻き線型のコイルからシート状のコイルまで形状に何ら制約を受けることなく使用できる。又シート状コイルでは、丸、四角、楕円形状等いかなる形状でも良い。

永久磁石は、鋳造磁石、焼結磁石、永久磁石粒子をプラスチックで固めた磁石等、いかなる製法のものでも使用することができる。
永久磁石の形状は棒状、円板状からリング状までいかなる形状のものでも適宜採用できる。

加速度センサー部（図９に示した構造）
非磁性ケース：アクリル樹脂製（板厚3mm）
内径：24mm 長さ：58mm
両端の永久磁石：直径23.5mm×厚さ５mm 残留磁束密度1.2テスラ
両端の永久磁石の間に外径23.5mm、内径4mm長さ3mmの電磁誘導コイルを入れてアクリル製ケースに接着剤で固定した。
電磁誘導コイルには線径0.4mmのエナメル被覆銅線を660回巻いたものを使用した。コイルの端子には25.4Ωの抵抗を接続し、そこの両端電圧を発電電圧，その抵抗で消費される電力を発電電力とした．
コイルの内径には厚さ0.2mmのテフロン(登録商標)のスリーブ（振動子のガイド）を嵌入し、コイル内面に固定した。
テフロンスリーブの中に外径23.5mm、長さ10mm、残留磁束密度1.2テスラの棒状振動子（永久磁石）を入れてアクリルケースを垂直に立てると振動子は２個の永久磁石の間で空中に静止した。
アクリルケースに振幅10m/s²（peak to Peak）、振動数33.0Hzの振動を与えた。
振幅0.8Ｖ（peak to Peak）の電圧が発電された。振動を利用して効果的に発電できることが確認できた。
次に非磁性ケースに一定の相対速度を与えて発電定数Φを求めた。
次に周波数30〜50Hzの振動を与えて，誘導電圧と加振振動加速度の周波数応答を求め，バネ定数ｋとバネの減衰係数ｃを実験的に求めた。
Φ＝7.6 V/m/s
ｋ＝1.5 kN/m
ｃ＝0.643 N/m/s
であった。
加速度試験機によって振動を与え、発電機が推定した加速度値と与えた振動加速度の測定値との整合度を調べた。
なお加速度Ｕは下記の式から数値計算して求めた。
Ｕ＝dv/dt − c/m・ｖ − k/m・∫ｖdt （ｖはセンサー部の相対速度）
図10に，与えた加速度（測定値）と推定値を示す．それぞれの加速度の実効値は22.3 m/s²，21.1m/s²となった．測定値と推定値の誤差は±5％の範囲に入っていた。
本発明装置は加速度を精度良く推定できることを確認できた。

図１は、本発明装置の作用、機能を説明した図である。図２は、磁気バネの説明図である。図３は、磁気バネの説明図である。図４は、本発明の加速度センサー部の構造を説明した図である。図５は、本発明の加速度センサー部（鉄芯入り）の構造を説明した図である。図６は、本発明の加速度センサー部の別の構造の説明図である。図７は、本発明の加速度センサー部の別の構造を説明した図である。図８は、本発明の加速度センサー部の別の構造（巻きバネ構造）を説明した図である。図９は、実施例の構造の説明図である。図10は，試験機に与えた加速度と本発明による推定値を示した図である．

符号の説明

１非磁性ケース
２永久磁石
３永久磁石
４振動子
５コイル

Claims

永久磁石からなる振動子と、該振動子の磁束と交差する位置に配置された電磁誘導コイルを備えてなる加速度センサー部と、加速度発生時、該センサー部の振動子に誘起される振動で該コイルに誘起される起電力に基づいて加速度を演算する演算装置からなることを特徴とする加速度計測装置。
上記誘導コイルに誘起される電力で上記演算装置を作動させることを特徴とする請求項１に記載の加速度計測装置。
上記誘導コイルとして２組配置し、一つのコイルで加速度を検知し、もう一つを加速度演算装置の電源に利用することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の加速度計測装置。
上記振動子が永久磁石をバネで懸吊した構造からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加速度計測装置。
上記振動子が磁気バネで懸吊した構造からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加速度計測装置。