JP3809599B2 - Accelerometer - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は重力方向の加速度変化を検出可能な加速度センサーに関するものであり、例えば落下センサーや、地震の縦揺れを検出してその揺れの大きさに応じた信号を出力可能な感震センサーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の加速度センサーにおいて、特に重力方向の加速度変化を見ることができるセンサーで実用化されているものは少ないが、例えば金属球のような慣性子と圧電素子や接点機構を使用したものや、半導体を使用したものなどがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら慣性子と圧電素子や接点機構を組み合わせたものは重力方向の加速度の増加と減少の両方を検出するには構造が複雑になると言う問題がある。つまり、重力方向には常に1Gの重力加速度がかかっているので、加速度変化を検出するためには慣性子をバネや梁などによって常に重力に対して保持しながら、加速度が変化した際には接点機構などを駆動したり半導体の検出部を充分に変位させるのに充分なストロークで慣性子を上下方向に移動可能な構造としなければならない。また横方向の加速度によって慣性子が動かないように、または接点機構や検出部を駆動することが無いような構造としなければならない。また特に接点機構を組み合わせたものは加速度の変化量を連続的な信号として得ることができない。
【0004】
さらにセンサーとして1G以下の加速度変化を確実に検出できる感度を得るためには、検出部分を1G以下の加速度で必要な変位を生じさせるような構造とする必要がある。しかしながら製造時や取付時においてセンサーが通常の取り扱いで瞬間的に受ける衝撃加速度は数Gから数十Gに及ぶことがあり、センサーの検出部分を前述のような構造とした場合には強度の観点より上記取扱時の衝撃によって破壊に至る可能性がある。そのためにセンサーは慎重に取り扱う必要があり、その製造や取扱時の能率が低下する原因となっている。また過負荷に対する検出部分の保護のために緩衝機構を備えたものもあるが、構造が複雑となりコストが高くなると言う問題がある。
【0005】
そのため、取扱いが容易で且つ小型で且つ加速度の大きさに対応した連続的な信号を得ることのできるセンサーが求められている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明の加速度センサーにおいては、一端を閉塞された筒型ハウジングと、このハウジングの開口端に密着固定される蓋板とで密閉容器を構成し、密閉容器内には導電性の液体が封入され、また容器内側の中心には所定の内径の細管を前記導電性液体に対してほぼ垂直に且つその一端が導電性液体に浸るように固定され、細管にはその長手方向に沿って電極が設けられており、前記導電性液体は細管内で毛管現象により液面が上昇しており、この細管内の液面の位置変化による前記電極との接触面積の変化を抵抗値変化として出力することを特徴としている。
【0007】
本加速度センサーにおいては重力方向の加速度が変化すると毛管現象により細管内を上昇している液体の液面位置が変化することを利用し、この液面位置の変化を細管に設けられた電極と液体との接触面積の変化による抵抗値変化として検出することで重力方向の加速度変化を測定することができる。
【0008】
また請求項2に記載の加速度センサーにおいては、蓋板には互いに絶縁された複数の電極が貫通固定されており、これらの電極はそれぞれ細管の内周面にその長手方向に沿って固定され、この細管内の液面の位置変化を前記電極間の抵抗値変化として出力することを特徴としている。
【0009】
この加速度センサーにおいては、液面位置の変化を細管内に設けられた複数の電極間の抵抗値変化として検出することで重力方向の加速度変化を測定することができる。また細管内に複数の電極を設けることにより電極間の距離が近くなり比較的固有抵抗値の高い液体を使用することも可能になる。
【0010】
また請求項3に記載の加速度センサーにおいては、細管の液体が出入りする先端近傍に開口面積が少なくとも細管の断面積よりも小さいオリフィスが設けられていることを特徴としている。
【0011】
この加速度センサーによれば、細管への液体の出入りにおいてオリフィスが液体の急激な流れを抑えまた運動エネルギーを減衰させることにより、加速度センサーが繰り返しの振動加速度を受けた時にも液体の固有振動数が振動加速度の周波数と一致することを防ぎ、それに伴なう共振現象の発生を抑え、また液体の移動速度を抑えることによって特に感震センサーとして使用される場合に不必要な高い周波数域でのセンサーの感度を低下させて地震以外の生活振動等を原因とするノイズ信号の発生を抑える事ができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の加速度センサーについて説明する。図1はこの加速度センサーの縦断面図、図2は図1のA−A断面矢視図である。この加速度センサー1は一端を閉塞されたほぼ円筒形の金属製ハウジング2と、円板状の金属製蓋板3を有し、この蓋板3はその周縁部を前記ハウジング2の開口側端部に抵抗溶接などにより密着固定されることにより気密容器を構成している。ここでハウジング2及び蓋板3は必ずしも金属製とする必要は無く、液密性が確実に保たれるのであれば樹脂やセラミックスで構成してもよい。
【0013】
蓋板3の中央には貫通孔3Aが設けられており、この貫通孔3Aには2本の電極4A、4Bが挿通されて互いに絶縁された状態でガラスなどの電気絶縁性材料5によって封着固定されている。蓋板3の密閉容器内側には所定の導電性液体6が封入されている。この導電性液体6は導電性を有することはもちろん、この加速度センサーが使用される温度範囲で所要の流動性を保つ必要があり、例えばメチルアルコールやエチルアルコールのように固有抵抗値が比較的低いアルコール類を使用したり、プロピオン酸メチルやプロピオン酸エチルなどのエステル類のような比較的固有抵抗値が高い液体に硝酸リチウムなどの導電材を溶解させた液体などを使用することができる。もちろんアルコール類に導電材を溶解させて導電率を調整してもよいことは言うまでもない。
【0014】
容器内の中央には正規姿勢において導電性液体6の液面に対して垂直になるように電気絶縁性の細管7が設けられている。このように配置することによって細管7は容器の中心軸上に位置することになり、センサー容器が若干傾斜した場合にも中心となる細管の位置での液面は変化することは無い。細管7の材質は導電性液体6によって一部または全部が溶解したり液体を変質させたりせず、液体との接触角が小さくさらに液体が浸透しないものが求められ、ガラスやエンジニアリングプラスチック、例えばPPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂やPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂などを使用することが好ましい。
【0015】
この細管7の下端7Bに位置する中空部7Aの開口部には中空部7Aの内径よりも直径の小さいオリフィス7Cが設けられており、導電性液体6はここから中空部7A内に出入りする。ここで開口部であるオリフィス7Cは真下を向き且つ中空部7Aは重力方向に伸びているので、加速度センサー1に地震の横揺れや衝撃が加えられて液体6が容器2内を横方向に移動した場合にもそれに伴なう中空部7A内への液体の出入りはほとんど無い。また細管中では液体の表面張力などにより横方向の加速度による液体の偏りもほとんど発生しないので、センサーは確実に縦方向、つまり重力方向の加速度の変化を検出することができる。また細管7の蓋板3に当接した上端部7Dには少なくともひとつの切欠き7Eが設けられ、導電性液体6の中空部7A内への流入・流出を阻害しないように容器内の気体が中空部7A内に自由に出入りできるようにされている。
【0016】
さらに中空部7Aの内壁にはその長手方向に沿って前記電極4A、4Bが設けられており、オリフィス7Cを通してこの中空部7A内に流入した導電性液体6がこれらの電極4A、4B間を導通状態にする。またこの実施例では下端7Bには脚部7Fが設けられハウジング2の底面に当接することにより細管7を支えているが、接着などの方法で細管上端部7Dを蓋板3に固定するのであれば、脚部7Fは省略しても良い。
【0017】
ここで電極間の抵抗値は電極間距離と導電性液体の固有抵抗値、及び電極と導電性液体との接触面積で決まる。このうち電極間距離と液体の固有抵抗値は加速度によって変化することは無いので抵抗値変化は電極と導電性液体との接触面積、つまり毛管現象による液体の上昇量によって決まる。
【0018】
この毛管現象による加速度と液面の上昇量との関係について説明する。導電性液体6の毛管現象による上昇量hは、細管7の中空部7Aの断面形状を円とみなした場合、その半径をr、液体の密度をρ、液体の表面張力をγ、接触角をθ、重力方向の加速度をgとすれば、
h=2γcosθ/rρg
となる。ここで例えば細管をガラスで作り、導電性液体としてメチルアルコールを使用した場合には接触角はほぼ0°であることからcosθは1とみなすことができるので、実質的に
h=2γ/rρg
となる。ここで液体の表面張力γ、密度ρ、及び中空部7Aの半径rは定数であるのに対して、加速度gは変数であり、定常的な重力加速度gとそれ以外の重力方向の加速度gとの和、つまりg=g+gとなる。ここから判るようにセンサーが加速度gを受けると重力方向の加速度gの値が増加または減少し、この加速度変化に対応して液面が移動する。この液面の移動に伴なって細管7に設けられた電極4A、4Bと導電性液体6との接触面積が変化し、それに対応して電極間の抵抗値が変化する。この抵抗値の増減から加速度の大きさを確実に検出することができる。
【0019】
この例においては細管7の下端7Bに中空部7Aの内径よりも直径の小さいオリフィス7Cを設けているが、その目的は導電性液体6の流れに対する減衰効果を得ることにある。この点について図3及び図4を参照して説明する。これらのグラフはセンサーに重力方向の正弦波加速度を一定の大きさで加えた場合における、振動周波数と電極間の抵抗変化の最大値との関係を示すグラフであり、図3は細管にオリフィスを設けず中空部をそのまま下端まで貫通させた場合、図4は細管先端部にオリフィスを設けた場合のグラフである。
【0020】
このセンサーに対して重力方向の加速度(もしくは減速度)が加えられると、細管中の液体は加速度の変化に対応して液面を上下動させて電極間の抵抗値を変化させる。例えば図3のグラフの測定をした内径2mmの細管を有した例では静止時には電極間の抵抗値は390kΩであるのに対して、大きさ200galで1Hzの正弦波の加速度を加えた場合には電極間の抵抗値は290〜510kΩになり、静止状態からの抵抗値変化量の最大値は120kΩとなる。
【0021】
ところでこの液体は細管に流れ込む際に、バランスする位置を慣性により一旦超えて流れ込み、元に戻るために逆流をする、と言う動きを繰り返すので液体の流れに振動が発生する。しかし例えばこのセンサーを落下センサーなどとして使用する場合には、外部から加えられる加速度は繰り返さないので液体の振動は電極や壁面等との摩擦等によって減衰されすぐに収束する。
【0022】
しかし繰り返しの振動加速度が加えられた場合には、液体の振動と加えられた振動加速度が同期すると液体の振動は収束せず逆に増幅される可能性がある。例としては感震センサーとしての特性を検査するために地震波の代用としてセンサーに重力方向に正弦波の振動加速度を連続的に加えると、中空部の直径や液体の粘度などによって決まる共振周波数付近の振動に対しては液体の上下動が大きくなり電極間の抵抗値変化が大きくなってしまう。
【0023】
例えば細管の直径を2mmとした図3の例では振動周波数5〜6Hzの付近に液体の共振周波数が存在するために、同じ大きさの加速度であってもこの共振周波数付近の振動による抵抗値の変動は振動周波数1Hzの場合と比較して2倍程度となり、またその前後の振動周波数に対しても図3に曲線11で示す如く抵抗値変化を生じる。そのため実際に加えられた振動加速度が所定の大きさに達していなくてもセンサーの抵抗値変化が所定の値に達してしまい、センサーからの信号で駆動される判定装置が誤作動を起こす可能性がある。また実際の地震波が印加された場合においても、地震波はいくつもの周波数成分の振動から合成されているためにセンサーの共振周波数に近い周波数成分が地震波に含まれていると液体が共振を起こして出力値が大きくなってしまう。
【0024】
そこで実施例の加速度センサー1においては図1及び図2に示すように細管7の下端7Bに中空部7Aの断面積よりも開口面積の小さいオリフィス7Cを設けたことにより、中空部7A内への液体6の流入速度及び流出速度が遅くなるとともにその出入りの際に液体6の運動エネルギーが奪われ振動が減衰されるので共振が起き難くなる。実施例では直径2mmの中空部の下端に直径1mmのオリフィス7Cが設けられており、液体6はこのオリフィス7Cを通って中空部7Aに出入りする構造とされている。その減衰効果は振動周波数が高くなるほど、つまり液体の移動速度が速くなるほど大きくなるので、オリフィスを設けることにより図4に示すように低い振動周波数では抵抗値の変化量に大きな影響を与えず、特に共振の影響が出る5Hz以上の振動周波数に対しては減衰効果を得ることができる。
【0025】
地震波の有する周波数成分は主に10Hz以下、特に1〜5Hzを中心としているが、前記オリフィスを設けることによりこの周波数領域の振動成分による共振の発生を抑えるとともに検出感度をほぼ一定にそろえることができる。そのため地震の振動に対して常に安定した感度を得ることができる。また地震以外の生活振動は主に10Hzを超えた高い周波数であり通常は液体による固有振動数よりも充分高いのでその動きは充分に抑制されるが、例えば感震装置に物や人体があたって衝撃が加えられた場合には地震の振動と比較して大きな振動となるので抑制が不充分になる場合がある。しかしオリフィスを設けることにより液体の移動はさらに効果的に減衰されるので、高い周波数の振動に対してはセンサーからの信号はほとんど変化せず、上記生活振動や衝撃による振動を地震によるものと誤認識する可能性が低くなる。
【0026】
以上、細管にオリフィスを設けたものについて説明したが、例えば落下センサーのように繰り返しの振動以外の加速度を検出する場合は液体が共振を起こす可能性は無くオリフィスを設けなくてもよい。さらに細管の中空部の直径を変えたり液体の粘度を調整する事により共振周波数を実際上の使用に支障の無い低い領域または高い領域に移動させることでオリフィスを省略してもよい。
【0027】
また上述の例においては蓋板に複数の電極を設け各電極を電気絶縁物製の細管内に配置したものについて説明したが、例えば細管そのものを一方の電極とすることもできる。この例について図5を参照しながら説明する。なお前述の例と同様の部品には同じ記号を付して詳細な説明は省略する。
【0028】
この加速度センサー21は金属製のハウジング2と蓋板23で密閉容器を構成している。蓋板23の貫通孔23Aには電極である導電端子24が挿通され、電気絶縁性充填材5によって封着固定されている。ハウジング2の中央には金属などで作られた導電性の細管27が配置されており、この細管27はハウジング2の底面に固着部27Aを溶接するなどして導電的に固定されている。細管27の下端の固着部27Aには液体の流入孔27Bが設けられており、ここから流入した導電性液体6が細管27内を毛管現象により上昇する。さらに前記導電端子24はこの細管27の中心に細管の内壁と所定の距離を保って位置するように挿入固定されている。この実施例においては導電端子24の容器内部側先端部には、位置決め用に電気絶縁製のキャップ28が固定されている。このキャップ28の周囲と細管27内壁との間には導電性液体6が流通可能な隙間がもうけられこの隙間がオリフィスとしての役割も果たしている。
【0029】
この加速度センサーにおいて重力方向の加速度が変化すると、前述の例と同様に毛管現象による細管27内の導電性液体の流入量が変化する。これにより導電端子24と細管27との間の導電性液体6を介した抵抗値が変動するので、この変動から落下や振動等を検出することができる。
【0030】
なお、この実施例では細管27をハウジング2の底面中心に導電的に固定したが、例えば固着部27Aを蓋板23の金属部分に固定してその中心に導電端子が所定の距離を保って位置するようにしてもよい。
【0031】
なお、この実施例において導電端子と細管との位置関係を確保でき尚且つオリフィスを必要としない場合には位置決めとオリフィスとを兼ねたキャップ28を省略することができる。また例えば密閉容器内の毛管現象の影響が無い位置に他方の電極を配置したり、金属製の細管に直接第二の導電端子を固着して外部への電極としてハウジング外へ導出するのであれば必ずしもハウジングや蓋板を導電性とする必要は無い。
【0032】
【発明の効果】
本加速度センサーにおいては重力方向の加速度の増減に伴ない毛管現象により細管内を上昇する液体の液面位置が変化することを利用し、細管内に電極を配置し液体として導電性液体を使用することで、細管内の液面位置の変化量に応じた電極間の連続的な抵抗値変化として重力方向の加速度変化を検出することができる。また慣性体として液体が使用されているので、1G以下の加速度変化を検出できる一方、組付時やその他の取扱い時において受ける可能性のある数Gから数十Gの衝撃加速度で検知部が破壊されることのないセンサーを提供することができる。
【0033】
また、細管の液体が出入りする先端近傍に開口面積が少なくとも細管の断面積よりも小さいオリフィスを設けることにより、このオリフィスが細管への液体の出入りにおける流速を抑えると同時に運動エネルギーを減衰し、加速度センサーが繰り返しの振動加速度を受けた時にも特定の振動周波数での液体の共振現象の発生を抑えることができる。また液体の移動速度を抑えることによって特に感震センサーとして使用される場合に不必要な高い周波数域でのセンサーの感度を落として地震以外の生活振動を原因とする信号の発生を抑える事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の加速度センサーの構造を示す縦断面図
【図2】図1の加速度センサーのA−A断面矢視図
【図3】本発明の加速度センサーの細管にオリフィスを設けない場合の振動周波数と電極間の抵抗変化との関係を示すグラフ
【図4】本発明の加速度センサーの細管にオリフィスを設けた場合の振動周波数と電極間の抵抗変化との関係を示すグラフ
【図5】本発明の加速度センサーにおける他の実施例の構造を示す縦断面図
【符号の説明】
1、21:加速度センサー
2:ハウジング
3、23:蓋板
4:電極
5:絶縁性充填材
6:導電性液体
7:細管
7A:中空部
7C:オリフィス
24:導電端子(電極)
27:細管(電極)
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an acceleration sensor capable of detecting a change in acceleration in the direction of gravity, for example, a fall sensor or a seismic sensor capable of detecting a vertical shake of an earthquake and outputting a signal corresponding to the magnitude of the shake. It is.
[0002]
[Prior art]
There are few conventional accelerometers that can see the acceleration change in the direction of gravity in particular, but those that use inertial elements such as metal spheres and piezoelectric elements and contact mechanisms, for example, semiconductors There are things that use.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, a combination of an inertia element, a piezoelectric element, and a contact mechanism has a problem that the structure becomes complicated in order to detect both an increase and a decrease in acceleration in the direction of gravity. In other words, gravitational acceleration of 1G is always applied in the direction of gravity, and in order to detect a change in acceleration, the inertia element is always held against gravity by a spring or beam, etc. The inertial element must be structured to be movable in the vertical direction with a sufficient stroke to drive the mechanism or the like and to sufficiently displace the semiconductor detector. Further, the structure must be such that the inertial element does not move due to the lateral acceleration or that the contact mechanism or the detection unit is not driven. In particular, a combination of contact mechanisms cannot obtain the amount of change in acceleration as a continuous signal.
[0004]
Furthermore, in order to obtain a sensitivity capable of reliably detecting an acceleration change of 1 G or less as a sensor, it is necessary that the detection portion has a structure that generates a necessary displacement at an acceleration of 1 G or less. However, the impact acceleration that the sensor instantaneously receives during normal handling at the time of manufacture and installation may range from several G to several tens of G. When the sensor detection part is structured as described above, the strength point of view In addition, there is a possibility of destruction due to impact during handling. Therefore, it is necessary to handle the sensor with care, which causes a reduction in efficiency during manufacturing and handling. Although some have a buffer mechanism for protecting the detection portion against overload, there is a problem that the structure is complicated and the cost is increased.
[0005]
Therefore, there is a demand for a sensor that can be easily handled, is small, and can obtain a continuous signal corresponding to the magnitude of acceleration.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the acceleration sensor of the present invention, a sealed housing is constituted by a cylindrical housing closed at one end and a lid plate fixedly fixed to the open end of the housing, and a conductive liquid is enclosed in the sealed container. In addition, a thin tube having a predetermined inner diameter is fixed at the center inside the container so as to be substantially perpendicular to the conductive liquid and so that one end of the thin tube is immersed in the conductive liquid. The thin tube has an electrode along its longitudinal direction. The liquid level of the conductive liquid rises due to capillary action in the capillary tube, and a change in the contact area with the electrode due to a change in the position of the liquid surface in the capillary tube is output as a resistance value change. It is characterized by.
[0007]
This acceleration sensor uses the fact that the liquid surface position of the liquid rising in the capillary tube changes due to capillary action when the acceleration in the direction of gravity changes, and this change in the liquid surface position is detected by the electrode and liquid provided in the capillary tube. The acceleration change in the direction of gravity can be measured by detecting the change in the resistance value due to the change in the contact area.
[0008]
Further, in the acceleration sensor according to claim 2, a plurality of electrodes insulated from each other are fixed to the lid plate, and these electrodes are respectively fixed to the inner peripheral surface of the thin tube along the longitudinal direction thereof. A change in the position of the liquid surface in the narrow tube is output as a change in resistance value between the electrodes.
[0009]
In this acceleration sensor, the acceleration change in the gravitational direction can be measured by detecting the change in the liquid surface position as a change in resistance value between a plurality of electrodes provided in the narrow tube. Further, by providing a plurality of electrodes in the narrow tube, the distance between the electrodes is reduced, and a liquid having a relatively high specific resistance value can be used.
[0010]
The acceleration sensor according to claim 3 is characterized in that an orifice having an opening area smaller than the cross-sectional area of the thin tube is provided in the vicinity of the tip where the liquid of the thin tube enters and exits.
[0011]
According to this acceleration sensor, the orifice suppresses the rapid flow of the liquid when the liquid enters and exits the capillary tube, and attenuates the kinetic energy, so that the natural frequency of the liquid can be maintained even when the acceleration sensor receives repeated vibration acceleration. A sensor in a high frequency range that is unnecessary especially when used as a seismic sensor by preventing coincidence with the frequency of vibration acceleration, suppressing the occurrence of resonance phenomenon accompanying it, and suppressing the movement speed of liquid. It is possible to suppress the generation of noise signals caused by daily vibrations other than earthquakes.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The acceleration sensor of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the acceleration sensor, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA in FIG. This acceleration sensor 1 has a substantially cylindrical metal housing 2 closed at one end and a disk-shaped metal cover plate 3, and the cover plate 3 has a peripheral edge at the opening side end of the housing 2. An airtight container is configured by being closely fixed to each other by resistance welding or the like. Here, the housing 2 and the cover plate 3 are not necessarily made of metal, and may be made of resin or ceramics as long as the liquid-tightness is reliably maintained.
[0013]
A through-hole 3A is provided in the center of the cover plate 3, and two electrodes 4A and 4B are inserted into the through-hole 3A and insulated from each other by an electrically insulating material 5 such as glass. It is fixed. A predetermined conductive liquid 6 is sealed inside the sealed container of the lid plate 3. The conductive liquid 6 is not only conductive but also needs to maintain the required fluidity in the temperature range in which the acceleration sensor is used. For example, the specific resistance value is relatively low like methyl alcohol or ethyl alcohol. Alcohols can be used, and liquids in which a conductive material such as lithium nitrate is dissolved in a liquid having a relatively high specific resistance such as esters such as methyl propionate and ethyl propionate can be used. Of course, it is needless to say that the conductivity may be adjusted by dissolving a conductive material in alcohols.
[0014]
In the center of the container, an electrically insulating thin tube 7 is provided so as to be perpendicular to the liquid surface of the conductive liquid 6 in a normal posture. By arranging in this way, the narrow tube 7 is positioned on the central axis of the container, and even when the sensor container is slightly inclined, the liquid level at the position of the central thin tube does not change. The material of the thin tube 7 is required to be a glass or engineering plastic such as PPS that does not dissolve partly or entirely by the conductive liquid 6 and does not alter the liquid, has a small contact angle with the liquid, and does not penetrate the liquid. It is preferable to use (polyphenylene sulfide) resin or PEEK (polyether ether ketone) resin.
[0015]
An orifice 7C having a diameter smaller than the inner diameter of the hollow portion 7A is provided at the opening of the hollow portion 7A located at the lower end 7B of the thin tube 7, and the conductive liquid 6 enters and exits the hollow portion 7A from here. Here, the orifice 7C, which is the opening, faces directly below and the hollow portion 7A extends in the direction of gravity, so that the liquid 6 moves laterally in the container 2 due to an earthquake roll or impact applied to the acceleration sensor 1. In this case, the liquid hardly enters or leaves the hollow portion 7A. Further, in the narrow tube, the liquid is hardly biased due to the acceleration in the lateral direction due to the surface tension of the liquid, so that the sensor can reliably detect the change in the acceleration in the vertical direction, that is, the gravity direction. Further, at least one notch 7E is provided in the upper end portion 7D of the narrow tube 7 that is in contact with the cover plate 3, so that the gas in the container does not hinder the inflow / outflow of the conductive liquid 6 into the hollow portion 7A. The hollow portion 7A can freely enter and exit.
[0016]
Further, the electrodes 4A and 4B are provided along the longitudinal direction of the inner wall of the hollow portion 7A, and the conductive liquid 6 flowing into the hollow portion 7A through the orifice 7C conducts between the electrodes 4A and 4B. Put it in a state. In this embodiment, a leg 7F is provided at the lower end 7B and supports the narrow tube 7 by contacting the bottom surface of the housing 2. However, the upper end 7D of the narrow tube is fixed to the cover plate 3 by a method such as adhesion. For example, the leg portion 7F may be omitted.
[0017]
Here, the resistance value between the electrodes is determined by the distance between the electrodes, the specific resistance value of the conductive liquid, and the contact area between the electrode and the conductive liquid. Of these, the distance between the electrodes and the specific resistance value of the liquid do not change due to acceleration, so the change in resistance value is determined by the contact area between the electrode and the conductive liquid, that is, the amount of liquid rise due to capillary action.
[0018]
The relationship between the acceleration due to this capillary phenomenon and the amount of rise in the liquid level will be described. Assuming that the cross-sectional shape of the hollow portion 7A of the thin tube 7 is a circle, the increase amount h of the conductive liquid 6 due to capillary action is r, the liquid density is ρ, the liquid surface tension is γ, and the contact angle is If θ and acceleration in the direction of gravity are g,
h = 2γ cos θ / rρg
It becomes. Here, for example, when a thin tube is made of glass and methyl alcohol is used as the conductive liquid, since the contact angle is almost 0 °, cos θ can be regarded as 1, so that substantially h = 2γ / rρg.
It becomes. Here, the surface tension γ, the density ρ, and the radius r of the hollow portion 7A are constants, whereas the acceleration g is a variable, and the steady gravitational acceleration g 0 and other accelerations g in the gravitational direction. 1 is the sum, that is, g = g 0 + g 1 . When the sensor as seen from here is subjected to acceleration g 1 value of the acceleration g of gravity direction increases or decreases, the liquid level in response to the acceleration change moves. As the liquid level moves, the contact area between the electrodes 4A and 4B provided on the thin tube 7 and the conductive liquid 6 changes, and the resistance value between the electrodes changes accordingly. The magnitude of acceleration can be reliably detected from the increase / decrease of the resistance value.
[0019]
In this example, the lower end 7B of the narrow tube 7 is provided with an orifice 7C having a diameter smaller than the inner diameter of the hollow portion 7A. The purpose is to obtain a damping effect on the flow of the conductive liquid 6. This point will be described with reference to FIGS. These graphs show the relationship between the vibration frequency and the maximum resistance change between the electrodes when a constant sinusoidal acceleration in the direction of gravity is applied to the sensor. FIG. 3 shows an orifice in the narrow tube. FIG. 4 is a graph in the case where an orifice is provided at the tip of the thin tube when the hollow portion is passed through to the lower end without being provided.
[0020]
When acceleration (or deceleration) in the gravitational direction is applied to the sensor, the liquid in the capillary tube moves up and down in response to the change in acceleration to change the resistance value between the electrodes. For example, in the example with a 2 mm inner diameter tube measured in the graph of FIG. 3, the resistance value between the electrodes is 390 kΩ when stationary, but when the acceleration of a sinusoidal wave of 1 Hz is applied with a size of 200 gal The resistance value between the electrodes is 290 to 510 kΩ, and the maximum value of the resistance value change from the stationary state is 120 kΩ.
[0021]
By the way, when the liquid flows into the narrow tube, the movement of once flowing over the balance position due to inertia and backflowing to return to the original is repeated, so that vibration occurs in the liquid flow. However, for example, when this sensor is used as a drop sensor, the acceleration applied from the outside is not repeated, so that the vibration of the liquid is attenuated by friction with the electrode, the wall surface, etc. and converges immediately.
[0022]
However, when repeated vibration acceleration is applied, if the vibration of the liquid is synchronized with the applied vibration acceleration, the vibration of the liquid may not be converged and may be amplified conversely. For example, in order to inspect the characteristics as a seismic sensor, if a vibration acceleration of a sine wave is continuously applied to the sensor in the direction of gravity as a substitute for seismic waves, the resonance frequency near the resonance frequency determined by the diameter of the hollow part or the viscosity of the liquid With respect to vibration, the vertical movement of the liquid increases, and the resistance value change between the electrodes increases.
[0023]
For example, in the example of FIG. 3 in which the diameter of the thin tube is 2 mm, the resonance frequency of the liquid exists in the vicinity of the vibration frequency of 5 to 6 Hz. The fluctuation is about twice that of the case where the vibration frequency is 1 Hz, and the resistance value changes as shown by the curve 11 in FIG. For this reason, even if the vibration acceleration actually applied does not reach the predetermined magnitude, the change in the resistance value of the sensor may reach the predetermined value, and the determination device driven by the signal from the sensor may malfunction. There is. Even when an actual seismic wave is applied, the seismic wave is synthesized from vibrations of several frequency components, so if the seismic wave contains a frequency component close to the resonance frequency of the sensor, the liquid will resonate and be output. The value will increase.
[0024]
Therefore, in the acceleration sensor 1 of the embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the orifice 7C having an opening area smaller than the cross-sectional area of the hollow portion 7A is provided at the lower end 7B of the thin tube 7, so The inflow speed and outflow speed of the liquid 6 are slowed down, and the kinetic energy of the liquid 6 is deprived and the vibration is attenuated at the time of entering and exiting, so that resonance hardly occurs. In the embodiment, an orifice 7C having a diameter of 1 mm is provided at the lower end of a hollow portion having a diameter of 2 mm, and the liquid 6 is configured to enter and exit the hollow portion 7A through the orifice 7C. The damping effect increases as the vibration frequency increases, that is, as the moving speed of the liquid increases. Therefore, by providing an orifice, the amount of change in resistance value is not significantly affected at a low vibration frequency as shown in FIG. A damping effect can be obtained for vibration frequencies of 5 Hz or more that are affected by resonance.
[0025]
The frequency component of the seismic wave is mainly 10 Hz or less, particularly 1 to 5 Hz. However, by providing the orifice, it is possible to suppress the occurrence of resonance due to the vibration component in this frequency region and to make the detection sensitivity almost constant. . Therefore, it is possible to always obtain a stable sensitivity to earthquake vibrations. In addition, life vibrations other than earthquakes are mainly at a high frequency exceeding 10 Hz and are usually sufficiently higher than the natural frequency due to liquids, so their movements are sufficiently suppressed. For example, if a seismic device hits an object or human body When an impact is applied, there is a case where the vibration becomes large compared with the vibration of the earthquake, and the suppression may be insufficient. However, since the movement of the liquid is more effectively attenuated by providing an orifice, the signal from the sensor hardly changes for high-frequency vibrations. The possibility of recognition decreases.
[0026]
As described above, the thin tube provided with the orifice has been described. However, for example, when detecting acceleration other than repetitive vibrations such as a drop sensor, there is no possibility that the liquid will resonate and the orifice need not be provided. Further, the orifice may be omitted by changing the diameter of the hollow portion of the narrow tube or adjusting the viscosity of the liquid to move the resonance frequency to a low region or a high region where there is no practical problem.
[0027]
In the above-described example, a case where a plurality of electrodes are provided on the cover plate and each electrode is disposed in a thin tube made of an electrical insulator has been described. However, for example, the narrow tube itself can be used as one electrode. This example will be described with reference to FIG. The same parts as those in the above example are denoted by the same symbols, and detailed description thereof is omitted.
[0028]
The acceleration sensor 21 includes a metal housing 2 and a lid plate 23 to form a sealed container. A conductive terminal 24, which is an electrode, is inserted into the through hole 23 </ b> A of the lid plate 23 and is sealed and fixed by the electrically insulating filler 5. A conductive thin tube 27 made of metal or the like is disposed in the center of the housing 2, and this thin tube 27 is conductively fixed by welding a fixing portion 27 </ b> A to the bottom surface of the housing 2. The fixed portion 27A at the lower end of the thin tube 27 is provided with a liquid inflow hole 27B, and the conductive liquid 6 flowing in from this rises in the thin tube 27 by capillary action. Further, the conductive terminal 24 is inserted and fixed at the center of the thin tube 27 so as to be located at a predetermined distance from the inner wall of the thin tube. In this embodiment, an electrically insulating cap 28 is fixed to the front end of the conductive terminal 24 inside the container for positioning. A gap through which the conductive liquid 6 can flow is provided between the periphery of the cap 28 and the inner wall of the thin tube 27, and this gap also serves as an orifice.
[0029]
When the acceleration in the gravitational direction changes in this acceleration sensor, the inflow amount of the conductive liquid in the capillary tube 27 due to capillary action changes as in the above example. As a result, the resistance value between the conductive terminal 24 and the thin tube 27 via the conductive liquid 6 varies, so that a drop, vibration, or the like can be detected from this variation.
[0030]
In this embodiment, the thin tube 27 is conductively fixed to the center of the bottom surface of the housing 2. However, for example, the fixing portion 27A is fixed to the metal portion of the cover plate 23, and the conductive terminal is positioned at a predetermined distance at the center. You may make it do.
[0031]
In this embodiment, when the positional relationship between the conductive terminal and the narrow tube can be ensured and the orifice is not required, the cap 28 serving as the positioning and the orifice can be omitted. For example, if the other electrode is arranged at a position where there is no influence of capillary action in the sealed container, or if the second conductive terminal is directly fixed to a metal thin tube and led out of the housing as an electrode to the outside The housing and the cover plate do not necessarily need to be conductive.
[0032]
【The invention's effect】
In this acceleration sensor, utilizing the fact that the liquid surface position of the liquid rising in the capillary tube changes due to capillary action as the acceleration in the gravity direction increases or decreases, an electrode is placed in the capillary tube and the conductive liquid is used as the liquid. Thus, acceleration change in the gravitational direction can be detected as a continuous resistance value change between the electrodes according to the change amount of the liquid surface position in the narrow tube. In addition, since liquid is used as an inertial body, it is possible to detect acceleration changes of 1 G or less, while the detector is destroyed by impact acceleration of several G to several tens of G that may be received during assembly or other handling. It is possible to provide a sensor that is not performed.
[0033]
In addition, by providing an orifice with an opening area that is at least smaller than the cross-sectional area of the thin tube near the tip where the liquid flows in and out of the thin tube, this orifice suppresses the flow rate of liquid flowing into and out of the thin tube, and at the same time attenuates kinetic energy and accelerates. Even when the sensor receives repeated vibration acceleration, the occurrence of a liquid resonance phenomenon at a specific vibration frequency can be suppressed. In addition, by suppressing the moving speed of the liquid, it is possible to reduce the sensitivity of the sensor in the high frequency area, which is unnecessary especially when used as a seismic sensor, and to suppress the generation of signals caused by life vibrations other than earthquakes. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the structure of an acceleration sensor according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of the acceleration sensor in FIG. 1. FIG. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the vibration frequency of the electrode and the resistance change between the electrodes. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the vibration frequency and the resistance change between the electrodes when an orifice is provided in the thin tube of the acceleration sensor of the present invention. ] Vertical sectional view showing the structure of another embodiment of the acceleration sensor of the present invention [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2: Acceleration sensor 2: Housing 3, 23: Cover plate 4: Electrode 5: Insulating filler 6: Conductive liquid 7: Narrow tube 7A: Hollow part 7C: Orifice 24: Conductive terminal (electrode)
27: Capillary tube (electrode)

Claims (3)

一端を閉塞された筒型ハウジングと、
このハウジングの開口端に密着固定される蓋板とで密閉容器を構成し、
密閉容器内には導電性の液体が封入されており、
また容器内側の中心には所定の内径の細管を前記導電性液体に対してほぼ垂直に且つその一端が導電性液体に浸るように固定され、
細管にはその長手方向に沿って電極が設けられており、
前記導電性液体は細管内で毛管現象により周囲よりも液面が上昇しており、
この細管内の液面の位置変化による前記電極との接触面積の変化を抵抗値変化として出力することを特徴とする加速度センサー。
A cylindrical housing closed at one end;
A sealed container is configured with a lid plate that is closely fixed to the open end of the housing,
A conductive liquid is sealed in the sealed container,
In addition, a narrow tube having a predetermined inner diameter is fixed to the center inside the container so as to be substantially perpendicular to the conductive liquid and so that one end thereof is immersed in the conductive liquid.
The tubule is provided with electrodes along its longitudinal direction,
The conductive liquid has a higher liquid level than the surroundings due to capillary action in the capillary tube,
An acceleration sensor characterized in that a change in contact area with the electrode due to a change in position of the liquid surface in the narrow tube is output as a change in resistance value.
蓋板には互いに絶縁された複数の電極が貫通固定されており、
これらの電極はそれぞれ細管の内周面にその長手方向に沿って固定され、
この細管内の液面の位置変化を前記電極間の抵抗値変化として出力することを特徴とする請求項1に記載の加速度センサー。
A plurality of electrodes insulated from each other are fixed to the cover plate,
These electrodes are each fixed to the inner peripheral surface of the thin tube along its longitudinal direction,
2. The acceleration sensor according to claim 1, wherein a change in position of the liquid level in the narrow tube is output as a change in resistance value between the electrodes.
細管の液体が出入りする先端近傍には少なくとも細管の断面積よりも開口面積の小さいオリフィスが設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の加速度センサー。The acceleration sensor according to claim 1 or 2, wherein an orifice having an opening area smaller than at least a cross-sectional area of the thin tube is provided in the vicinity of a tip where the liquid of the thin tube enters and exits.
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