JP2010175453A - サーボ加速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気回路の飽和を解消し、広い使用温度範囲を有する小型なサーボ加速度計を実現する。
【解決手段】磁性材よりなるハウジング１４’、１５’の各閉塞部１４ａ、１５ａの内面に磁性材よりなるボトムポールピース１８、１９を介して永久磁石１６、１７がそれぞれ取り付けられ、それら永久磁石１６、１７とハウジング１４’、１５’の筒状部１４ｅ、１５ｅの内周面との間にそれぞれ構成される磁気空隙２３、２４に配された一対のコイル２７、２８が振子１２に取り付けられたサーボ加速度計において、各閉塞部１４ａ、１５ａは内面に凹部１４ｆ、１５ｆを有する形状とされて、その凹部１４ｆ、１５ｆにボトムポールピース１８、１９が配置される。ボトムポールピース１８、１９の外周面は凹部１４ｆ、１５ｆの内周面と所定の空隙を介して対向される。
【選択図】図１

Description

この発明は永久磁石により形成される磁界と鎖交するコイルが振子に取り付けられ、振子の振れ量に基づいた電流がコイルに流されて零点付近で振子が平衡する構成とされたサーボ加速度計に関する。

この種のサーボ加速度計の従来構成例を図３に示す。
円形状の枠体１１の枠内に位置する振子１２はその周の一部が弦で切り欠かれた略円板状とされ、その切り欠き部が一対のヒンジ１３を介して枠体１１に連結されて枠体１１に支持されている。枠体１１、振子１２及びヒンジ１３は一体形成され、その材料にはクオーツが使用されている。なお、ヒンジ１３は振子１２の所要の振れを可能とすべく、肉薄とされている。

枠体１１の両板面には第１ハウジング１４及び第２ハウジング１５がそれぞれ対接され、これら一対の第１，第２ハウジング１４，１５によって枠体１１は挟持されている。第１，第２ハウジング１４，１５は共に一端側が開放され、他端側が閉塞された略円筒形とされ、その一端側が枠体１１に対接されている。第１，第２ハウジング１４，１５は磁気ヨークに兼用されるもので、磁性材によって構成され、その材料としては磁性を有し、かつ熱膨張係数が小さいインバー材が使用されている。

第１，第２ハウジング１４，１５の内部には、その中心部に例えばサマリウム系希土類コバルト磁石よりなる円柱状の第１，第２永久磁石１６，１７がそれぞれ取り付けられている。この例では第１，第２永久磁石１６，１７はそれぞれ円板状のボトムポールピース１８，１９を介して第１，第２ハウジング１４，１５の閉塞部１４ａ，１５ａに同軸心的に立設され、さらにそれら第１，第２永久磁石１６，１７の各上面に、周縁部が肉厚とされた円板状のポールピース２１，２２がそれぞれ配設されている。

第１，第２永久磁石１６，１７とボトムポールピース１８，１９とポールピース２１，２２とは例えば接着により組み立てられる。ボトムポールピース１８，１９及びポールピース２１，２２は電磁軟鉄材（ＪＩＳ Ｃ ２５０３相当）によって形成され、ボトムポールピース１８，１９は第１，第２ハウジング１４，１５の閉塞部１４ａ，１５ａに接着あるいはレーザ溶接等によってそれぞれ取り付け固定されている。なお、このボトムポールピース１８，１９は第１，第２ハウジング１４，１５と第１，第２永久磁石１６，１７との熱膨張の差を緩和する機能を有するものである。

第１永久磁石１６は例えばポールピース２１と対接する側がＮ極、ボトムポールピース１８と対接する側がＳ極とされ、これらと第１ハウジング１４とによって主要な磁気回路が構成され、かつ第１ハウジング１４の開口部内周面と第１永久磁石１６との間、即ちこの例ではポールピース２１の外周面との間に第１磁気空隙２３が形成されている。第２ハウジング１５側においても同様に第２磁気空隙２４が形成されている。

第１，第２磁気空隙２３，２４にはボビン２５，２６にそれぞれ巻回された第１，第２コイル２７，２８がそれぞれ位置されている。第１，第２コイル２７，２８は第１，第２永久磁石１６，１７と同軸心とされ、振子１２の両板面にそれぞれ取り付けられている。なお、ボビン２５，２６の振子１２側の端面は取り付け板２５ａ，２６ａによりそれぞれ蓋されており、これら取り付け板２５ａ，２６ａがそれぞれ振子１２に接着固定されて、第１，第２コイル２７，２８が振子１２に取り付けられている。

振子１２の変位（振れ）はこの例では静電容量型の変位検出手段によって検出される。振子１２の両板面にはそれぞれ第１，第２コイル２７，２８の回りにおいて円弧状に電極２９ａ，２９ｂが金めっき等により形成され、これら電極２９ａ，２９ｂと対向する電極が第１，第２ハウジング１４，１５によって構成されている。第１，第２ハウジング１４，１５の開口部端面には振子１２の電極２９ａ，２９ｂが形成された角度範囲と対応する部分において、図３に示したように外周側から順次、枠体当接面１４ｂ，１５ｂ、逃げ１４ｃ，１５ｃ及び電極面１４ｄ，１５ｄが形成され、電極面１４ｄ，１５ｄは振子１２の電極２９ａ，２９ｂとそれぞれ所要量離間されている。

上記のような構成を有するサーボ加速度計では、Ｘ方向の入力加速度により振子１２が振れ、その振れが電極２９ａ，１４ｄ間及び電極２９ｂ，１５ｄ間の静電容量の変化により検出される。電極面１４ｄ，１５ｄは共通電位とされ、電極２９ａ，２９ｂの検出信号が所要の電気回路（図示せず）により差動増幅されて、第１，第２コイル２７，２８に電極２９ａ，２９ｂの静電容量差に基づいた電流が流される。この第１，第２コイル２７，２８に流れる電流と第１，第２永久磁石１６，１７による磁界との作用により、振子１２は元に戻り、零点付近で平衡する。この時の電流は振子１２に加わった加速度に比例し、この電流から入力加速度が求められる。

上述したように、従来のサーボ加速度計においては枠体１１、振子１２及びヒンジ１３にはクオーツを使用し、第１，第２ハウジング１４，１５にはインバー材を使用しており、このような熱膨張係数の小さい材料を用いることによって、温度変化に伴う寸法変化や位置ずれ、応力歪みの発生を極力抑える構造となっていた。

しかしながら、磁気回路を構成すべく、第１，第２ハウジング１４，１５に用いられているインバー材の飽和磁束密度は室温（２５℃）で１．２テスラ程度であり、また温度依存性が大きく、温度上昇に伴って飽和磁束密度がかなり低下するため、特に高温環境下で磁気回路の飽和が生じやすく、この点で使用温度範囲や測定レンジが制限され、また磁気回路の小型化が制限されるものとなっていた。

図４はこのような磁気回路の飽和の問題を解決すべく、特許文献１に記載されているサーボ加速度計の構成を示したものであり、この例では第１，第２ハウジング１４，１５の閉塞部１４ａ，１５ａの外面に磁気補強板３１，３２がそれぞれ取り付けられている。

磁気補強板３１，３２は第１，第２ハウジング１４，１５より飽和磁束密度が高い材料によって構成され、電磁軟鉄材などがその材料として使用されている。
このように第１，第２ハウジング１４，１５の閉塞部１４ａ，１５ａの外面に磁気補強板３１，３２を配置することにより、閉塞部１４ａ，１５ａにおける磁気回路の飽和を解消することができるものとなっている。

特開平８−２９２２０８号公報

しかるに、図４に示したサーボ加速度計のように磁気補強板３１，３２を取り付ける構成は、第１，第２ハウジング１４，１５の外側に磁気補強板３１，３２が配置されるため、小型化には不利であり、また部品点数が増えるため、その分、高価になるといった問題もある。

この発明の目的はこの問題に鑑み、磁気回路の飽和を解消することができ、かつ小型、安価に構成することができるようにしたサーボ加速度計を提供することにある。

請求項１の発明によれば、磁性材よりなり、一端側が開放され、他端側が閉塞部によって閉塞された筒状の一対のハウジングを有し、枠内にヒンジを介して振子を支持する枠体が一対のハウジングの前記一端側によって挟持され、一対のハウジングの各閉塞部の内面に磁性材よりなるボトムポールピースを介して永久磁石がそれぞれ取り付けられ、それら永久磁石と一対のハウジングの筒状部の内周面との間にそれぞれ構成される磁気空隙に同軸心的に配された一対のコイルが振子に取り付けられたサーボ加速度計において、前記各閉塞部は内面に凹部を有する形状とされて、その凹部にボトムポールピースが配置され、ボトムポールピースの外周面は前記凹部の内周面と所定の空隙を介して対向されているものとされる。

請求項２の発明によれば、磁性材よりなり、一端側が開放され、他端側が閉塞部によって閉塞された筒状の一対のハウジングを有し、枠内にヒンジを介して振子を支持する枠体が一対のハウジングの前記一端側によって挟持され、一対のハウジングの各閉塞部の内面に磁性材よりなるボトムポールピースを介して永久磁石がそれぞれ取り付けられ、それら永久磁石と一対のハウジングの筒状部の内周面との間にそれぞれ構成される磁気空隙に同軸心的に配された一対のコイルが振子に取り付けられたサーボ加速度計において、ボトムポールピースは前記閉塞部の内面をほぼ占有する大きさとされ、ボトムポールピースの外周面は前記筒状部の内周面と所定の空隙を介して対向されているものとされる。

請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、前記閉塞部は前記筒状部より磁路断面積が小さいものとされる。

この発明によれば、ボトムポールピースの外周面は第１，第２ハウジングと空隙を介して近接対向されており、第１，第２ハウジングの、特に磁束が集中する閉塞部の中央部分に磁気飽和が発生しても空隙を通る第２の磁路が形成されるため、磁気回路の飽和を解消することができる。
よって、従来のような第１，第２ハウジングの外側に磁気補強板を設ける構造に比し、小型かつ安価に構成することができるサーボ加速度計を得ることができる。

Ａはこの発明の第１の実施例を示す断面図、ＢはそのＣＣ部における断面図。 Ａはこの発明の第２の実施例を示す断面図、ＢはそのＣＣ部における断面図。 Ａは従来のサーボ加速度計を示す断面図、ＢはそのＣＣ部における断面図。 Ａは従来の磁気補強板を備えるサーボ加速度計の断面図、Ｂはその側面図。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明によるサーボ加速度計の第１の実施例の構成を示したものであり、図３と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第１，第２ハウジング１４’，１５’は図３に示した第１，第２ハウジング１４，１５と同様、それぞれ一端側が開放された筒状部１４ｅ，１５ｅと、その筒状部１４ｅ，１５ｅの他端側を閉塞する閉塞部１４ａ，１５ａとよりなる。

各閉塞部１４ａ，１５ａはこの例では内面に円形の凹部１４ｆ，１５ｆを有する形状とされ、これら凹部１４ｆ，１５ｆにそれぞれ円板状のボトムポールピース１８，１９が配置されている。ボトムポールピース１８，１９の外周面と凹部１４ｆ，１５ｆの内周面との間には所定の空隙４１，４２が設けられ、ボトムポールピース１８，１９の外周面はそれぞれ空隙４１，４２を介して凹部１４ｆ，１５ｆの内周面と対向されている。

なお、このような凹部１４ｆ，１５ｆを有する第１，第２ハウジング１４’，１５’の閉塞部１４ａ，１５ａの形状は、図３における第１，第２ハウジング１４，１５の閉塞部１４ａ，１５ａの形状を基準とすれば、ボトムポールピース１８，１９が位置する部分の厚さは同じであって、つまりボトムポールピース１８，１９を囲む回りの部分の厚さが増大された（かさ上げされた）ものとなっている。

上記のような構成において、従来と同様、第１，第２ハウジング１４’，１５’はインバー材によって形成され、ボトムポールピース１８，１９は電磁軟鉄材（ＪＩＳ Ｃ ２５０３相当）によって形成される。電磁軟鉄材の飽和磁束密度は室温（２５℃）で２．２テスラ程度であって、インバー材より大きく、また温度依存性が小さく、温度が上昇しても飽和磁束密度の低下は小さい。

上記のような構成を採用することによって、この例では以下のような磁路が形成される。
（１）サーボ加速度計の温度が室温程度では第１，第２ハウジング１４’，１５’の閉塞部１４ａ，１５ａの、特に磁束が集中する中央部分においても磁気飽和は生じず、よって閉塞部１４ａ，１５ａの中央部分（凹部１４ｆ，１５ｆが形成されている部分）は磁路として機能し、磁束はボトムポールピース１８，１９をその厚さ方向に流れる。
（２）サーボ加速度計が高温になると、インバー材によって形成されている第１，第２ハウジング１４’，１５’の飽和磁束密度は低下し、磁路断面積が小さい部分から、即ち閉塞部１４ａ，１５ａの中央部分から磁気飽和が発生し始める。

この磁気飽和の発生により、ボトムポールピース１８，１９の外周面と、閉塞部１４ａ，１５ａの凹部１４ｆ，１５ｆの内周面との間に存在する空隙４１，４２を通って磁束が流れるようになり、つまりボトムポールピース１８，１９の厚さ方向に磁束が流れる第１の磁路の他に、空隙４１，４２を介してボトムポールピース１８，１９と閉塞部１４ａ，１５ａの周辺部との間に磁束が流れる第２の磁路が形成される。

この例では上述したように、高温環境下では空隙４１，４２を通る第２の磁路が形成されるため、例えば図４に示した従来例のように磁気補強板３１，３２を用いなくても磁気回路の飽和を解消することができる。

なお、空隙４１，４２の大きさは第１，第２ハウジング１４’，１５’とボトムポールピース１８，１９との熱膨張の差によって決められ、つまり温度上昇により相対的にボトムポールピース１８，１９が大きく熱膨張しても空隙４１，４２が消失しない大きさとされる。このような空隙４１，４２を設けることによってボトムポールピース１８，１９の径方向の熱応力が直接、第１，第２ハウジング１４’，１５’に作用し、例えば振子１２に応力歪みが生じるといった問題を回避することができる。

次に、図２に示したこの発明の第２の実施例について説明する。
この例では第１，第２ハウジング１４’’，１５’’の閉塞部１４ａ，１５ａの内面には凹部はなく、単なる平面とされる。ボトムポールピース１８’，１９’は図１におけるボトムポールピース１８，１９より大径とされ、図２Ａに示したように閉塞部１４ａ，１５ａの内面をほぼ占有する大きさとされる。ボトムポールピース１８’，１９’の外周面と第１，第２ハウジング１４’’，１５’’の筒状部１４ｅ，１５ｅの内周面との間には所定の空隙４３，４４が設けられ、ボトムポールピース１８’，１９’の外周面はそれぞれ空隙４３，４４を介して筒状部１４ｅ，１５ｅの内周面と対向されている。

この例においても図１に示した第１の実施例と同様、サーボ加速度計が高温になり、第１，第２ハウジング１４’’，１５’’の閉塞部１４ａ，１５ａの中央部分に磁気飽和が発生し始めると、空隙４３，４４を介してボトムポールピース１８’，１９’の外周面と筒状部１４ｅ，１５ｅの内周面との間に磁束が流れるようになり、第２の磁路が形成される。よって、磁気回路の飽和を解消することができる。

なお、この例では大径のボトムポールピース１８’，１９’の第１，第２ハウジング１４’’，１５’’内への取り付けを簡易に行えるように、第１，第２ハウジング１４’’，１５’’はそれぞれ筒状部１４ｅ，１５ｅと閉塞部１４ａ，１５ａとに分割されている。筒状部１４ｅ，１５ｅと閉塞部１４ａ，１５ａとは例えば接着あるいは溶接によって一体化される。空隙４３，４４の大きさは第１の実施例と同様、温度上昇により第１，第２ハウジング１４’’，１５’’に対し、ボトムポールピース１８’，１９’が相対的に大きく熱膨張しても空隙４３，４４が消失しない大きさとされる。

以上説明したように、この発明によれば、ボトムポールピース１８，１９（１８’，１９’）の外周面に空隙４１，４２（４３，４４）を介して第１，第２ハウジング１４’，１５’（１４’’，１５’’）が近接対向して位置するようにし、第１，第２ハウジング１４’，１５’（１４’’，１５’’）の閉塞部１４ａ，１５ａの、特に磁束が集中する中央部分に磁気飽和が発生し始めると、空隙４１，４２（４３，４４）を通る第２の磁路が形成されるようにしたものであり、これにより閉塞部１４ａ，１５ａの磁気飽和の影響を回避することができる。

なお、サーボ加速度計を小型化するために、第１，第２ハウジング１４’，１５’（１４’’，１５’’）の閉塞部１４ａ，１５ａは筒状部１４ｅ，１５ｅより磁路断面積が一般に小さくなるが、この発明によればこのような閉塞部１４ａ，１５ａの磁気飽和の問題を解消することができる。

Claims (3)

1. 磁性材よりなり、一端側が開放され、他端側が閉塞部によって閉塞された筒状の一対のハウジングを有し、枠内にヒンジを介して振子を支持する枠体が前記一対のハウジングの前記一端側によって挟持され、前記一対のハウジングの各閉塞部の内面に磁性材よりなるボトムポールピースを介して永久磁石がそれぞれ取り付けられ、それら永久磁石と前記一対のハウジングの筒状部の内周面との間にそれぞれ構成される磁気空隙に同軸心的に配された一対のコイルが上記振子に取り付けられたサーボ加速度計において、
   前記各閉塞部は内面に凹部を有する形状とされて、その凹部に前記ボトムポールピースが配置され、
   前記ボトムポールピースの外周面は前記凹部の内周面と所定の空隙を介して対向されていることを特徴とするサーボ加速度計。
2. 磁性材よりなり、一端側が開放され、他端側が閉塞部によって閉塞された筒状の一対のハウジングを有し、枠内にヒンジを介して振子を支持する枠体が前記一対のハウジングの前記一端側によって挟持され、前記一対のハウジングの各閉塞部の内面に磁性材よりなるボトムポールピースを介して永久磁石がそれぞれ取り付けられ、それら永久磁石と前記一対のハウジングの筒状部の内周面との間にそれぞれ構成される磁気空隙に同軸心的に配された一対のコイルが上記振子に取り付けられたサーボ加速度計において、
   前記ボトムポールピースは前記閉塞部の内面をほぼ占有する大きさとされ、
   前記ボトムポールピースの外周面は前記筒状部の内周面と所定の空隙を介して対向されていることを特徴とするサーボ加速度計。
3. 請求項１又は２記載のサーボ加速度計において、
   前記閉塞部は前記筒状部より磁路断面積が小さいことを特徴とするサーボ加速度計。

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