JPH0136589B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は加減速度を電気信号に変換する加減速
度センサーに関し、特に、加減速度により非晶質
金属軟磁性体に生じる応力変化を電気信号に変換
するタイプの加減速度センサーに関する。 この種の従来のものの１つに、半導体で歪ゲー
ジを形成して、加減速度に応じた抵抗変化をアナ
ログ電圧に変換して、加減速度検出信号を得るも
のがある。この加減速度センサーにおいては、加
減速度に応じた抵抗変化は微小であることから、
ノイズ防止のために回路構成も複雑となり、しか
も半導体は温度ドリフトによる影響が大きく、使
用温度範囲は約マイナス30℃〜プラス100℃に限
られるものである。 また、従来のセンサの１つに、位置の変化を磁
界の変化に換算し、磁界の変化をコイルにより電
圧に変換するセンサがある。これらには、実開昭
48−73680号公報に開示されるような、振動に応
じて移動する磁石、磁石の磁界の変化を電圧に変
換するコイルを有し、振動の大きさを電圧に変換
する地震検出器や、特開昭56−158920号公報に開
示されるような、振動に応じて変動する捩動体、
捩動体の近傍に配置された磁石とコイルを有し、
磁石の発する磁束が捩動体の位置に応じて変化す
ることにより、振動を検出するノツキング検出器
がある。 このような磁界の変化を電圧に変換するセンサ
は、電圧値を出力とするため、電気ノイズに対し
て弱く、誤差が大きくなる。 本発明の第１の目的は、加減速度検出信号の電
気処理が比較的簡単でなおかつ電気ノイズに強い
加減速度センサーを提供することである。 本発明の第２の目的は、温度変化による影響を
受けにくく、しかも機械的強度、複元性も高く、
耐久性の向上した加減速度センサーを提供するこ
とである。 本発明の第３の目的は最近目覚しい進歩をとげ
たマイクロコンピユータなどのLSIにて比較的に
単純な読取ロジツクで加減速度データを読み取り
得る加減速度センサーを提供することである。 上記目的を達成するために本発明においては、
加減速度に応じて揺動変位する弾性体と、該弾性
体に接合された非晶質金属軟磁性体と、前記弾性
体および前記非晶質金属軟磁性体を有するコア
と、該コアに巻回された電気コイルと、指示に応
じて電圧を前記電気コイルに印加する電圧印加手
段と、前記電気コイルに流れる電流値を検出する
電流検出手段、および該電流検出手段の測定電流
の飽和までの時間を出力値とする出力手段とから
加減速度センサーを構成し、指示から電流検出手
段の測定電流の飽和までの時間を出力値とした。
電圧印加手段は、電圧発生手段である電源と、電
源と電気コイル間に配設されたトランジスタによ
り構成できる。トランジスタのオフからオンによ
り電気コイルに電圧が印加される。電流検出手段
は電気コイルに流れる電流を検出するが、電気コ
イルと直列に接続された抵抗により電流を電圧に
変換できる。この加減速度センサーに加減速度が
加わると、弾性体が加減速度に応じて揺動する。
弾性体が揺動すると、弾性体が湾曲し、弾性体に
接合されたコアにストレスがかかる。これにより
非晶質金属軟磁性体に加減速度に応じた応力が生
ずる。非晶質金属軟磁性体の電気コイル巻回数は
比較的に低い印加電圧すなわち（or）比較的に低
い通電電流レベルで非晶質金属軟磁性体が磁気飽
和するに十分に多い巻回数とされる。非晶質金属
軟磁性体に巻回したコイルに電圧を印加し、電圧
印加始点より、電気コイルに流れる電流が所定レ
ベルに達する迄の時間をＴとすると、 Ｔ＝Ｎ／ＥΦ ……(1) となる。 但し、Ｅ：電気コイルの印加電圧 Ｎ：電気コイルの巻回数 Φ：残留磁束密度から電流所定レベルの磁界に対
する磁束密度に達する迄の磁束変化量 である。 そして、Φは非晶質金属軟磁性体の透磁率の大
きさに正比例するもので、非晶質金属軟磁性体に
応力例えば引張応力が生ずると、非晶質金属軟磁
性体の透磁率はその引張応力の大きさに応じて増
大することにより、Φもそれに対応して増大し、
又圧縮応力が生ずれば、非晶質金属軟磁性体の透
磁率はその圧縮応力の大きさに応じて減少するこ
とにより、Φもそれに対応して減少することか
ら、電気コイルに電圧を印加してからコイル電流
が所定レベルになる迄の時間Ｔは非晶質金属軟磁
性体に生ずる引張応力に応じて増大変化し、又圧
縮応力に対じて減少変化する。それ故、本発明の
加減速度センサーには、Ｔを計測しそれを電圧レ
ベル、デジタルコード等の電気信号で表わす電気
回路又は半導体電子装置を接続する。非晶質金属
軟磁性体は、液相金属を急冷して作らざるを得な
いため薄板であり、しかも磁気的には強磁性であ
つて透磁率及び飽和磁比が大きく、そして保持が
小さく、又機械的には破断強さがきわめて高く、
弾力性および復元性に優れ、温度による特性変化
も半導体に比べて著しく少いものである。 このような非晶質金属軟磁性体の特性は、本発
明の加減速度センサーにきわめて好都合であり、
これを用いると、電気的にはＴの計測において、
信号処理が簡単かつ高精度となるメリツトがあ
り、機械的には製造が簡単になり、耐久性が向上
し、温度変化による影響を受けなくなる。 本発明の他の目的及び特徴は図面を参照した以
下の実施例説明において明確になろう。 第１図に示す実施例に於て、加減速度センサー
１は樹脂製ケーシング２を有する。該ケーシング
２内にはボビン３が固定され、該ボビン３に電気
コイル４が巻回されている。電気コイル４の両端
はそれぞれターミナル５及び６に接続されてい
る。７はコアを示し、該コア７はエポキシ樹脂、
塩化ビニール、ベリリウム銅等より成る弾性体８
及び該弾性体８の右側外周に接合された非晶質金
属軟磁性体９とを有している。 コア７はボビン３の孔１０内を挿通案内され、
弾性体８の上端はボルト１１によりケーシング２
の内部に固定されると共に下端にはウエイト１２
が固定されている。従つてコア７はボルト１１を
支点としてウエイト１２を揺動変位可能としてい
る。例えば、減速度が生じるとウエイト１２はボ
ルト１１を支点として反時計方向に揺動し、コア
７の左側面には引張荷重が生じ右側面には圧縮荷
重が生じる。従つてコア７の左側面に生じた引張
荷重は非晶質金属軟磁性体９に作用して引張応力
が生じることになる。例えば、加速度が生じると
ウエイト１２はボルト１１を支点として時計方向
に揺動し、コア７の左側面には圧縮荷重が生じ右
側面には引張荷重が生じる。従つてコア７の左側
面に生じた圧縮荷重は非晶質金属軟磁性体９に作
用して圧縮応力が生じることになる。 第２ａ図は１つの定電圧電源端子１０１には一
定レベルの直流電圧（たとえば＋5V）が印加さ
れる。入力端子１０２には、たとえば５〜25KHz
の電圧パルスが印加され、該電圧パルスのプラス
電圧区間にNPNトランジスタ１０３が導通し、
アースレベルの間NPNトランジスタ１０３は非
導通となる。電気コイルに電圧を印加する電圧印
加手段であるPNPトランジスタ１０４はトラン
ジスタ１０３がオンの間オンとなり、オフの間オ
フとなる。したがつて電気コイル４には、入力端
子１０２に印加される電圧パルスのプラスレベル
区間に定電圧（Vcc）が印加され、アースレベル
区間には電圧は加わらない。コイル４に流れる電
流に比例した電圧が電流検出手段である抵抗１０
５に現われ、この電圧が抵抗１０６とキヤパシタ
１０７でなる積分回路で積分され、積分電圧が出
力手段である出力端１０８に現われる。第２ｂ図
は第２ａ図に示す回路の入、出力電圧波形を示
す。入力電圧（IN）がプラスレベルに立上つて
から、抵抗１０５の電圧があるレベル以上に立上
るまでの時間tdおよび抵抗１０５の電圧ａの積分
電圧Vxは非晶質金属軟磁性体９に生じる応力に
対応する。 第３ａ図は他の１つの電気処理回路１２０を示
す。入力電圧（IN）がプラスレベルの間NPNト
ランジスタ１０３がオン、電圧印加手段である
PNPトランジスタ１０４がオンしてコイル４に
電圧が印加される。入力電圧（IN）がアースレ
ベルの間トランジスタ１０３がオフ、PNPトラ
ンジスタ１０４がオフして、コイル４には電圧が
印加されない。ゲートとソース間が同電位に接続
された接合型電界効果トランジスタFETは、そ
のソースとドレイン間に加えられる電圧がピンチ
オフ電圧以下であると、抵抗負荷として働き、そ
のソースとドレイン間に加えられる電圧がピンチ
オフ電圧以上であると、定電流源として働く。
PNPトランジスタ１０４がオンするとコイル４
に電流が流れ始める。この電流は電流検出手段で
ある接合型ＮチヤンネルFET１およびFET２に
流れる。このFET１およびFET２は、ソース−
ドレイン間電圧がピンチオフ電圧以下であると抵
抗分となるので、FET１およびFET２のドレイ
ンにはコイル４に流れる電流量に相当する電圧値
が現れる。この電圧値はコイル４に流れる電流の
増大とともに増加する。電流が増大し電圧値が増
大してピンチオフ電圧を越えると、FET１およ
びFET２は定電流源となる。したがつて、コイ
ル４が磁気飽和した時点でFET１およびFET２
のドレインの電圧、つまりFET１およびFET２
に接続されたコイル端子の電圧は、Vccとほぼ等
しくなる。FET２を流れる電流のレベルは可変
抵抗１２２で設定される。FETおよびFET２に
接続されたコイル端子の電圧は、出力手段である
反転増幅器IN１およびIN２で増幅および波形成
形される。第３ｂ図は第３ａ図に示す回路の入、
出力電圧波形を示す。回路１２０の出力（OUT）
は、入力パルス（IN）よりもtdだけ遅れて立上
る電圧パルスであり、このtdが非晶質金属軟磁性
体９に生じる応力に対応する。tdは第４図に示す
計数回路１４０でデジタルコードで表わされる。
回路１４０において、入力電圧（IN）の立上り
でフリツプフロツプＦ１がセツトされてそのＱ出
力が高レベル「１」となり、アンドゲートＡ１が
ゲート開（オン）となつてクロツクパルス発振器
１４１の発生パルスがカウンタ１４２のカウント
パルス入力端CKに印加される。出力パルス
（OUT）とＦ１のＱ出力がアンドゲートＡ２に印
加され、出力パルス（OUT）が立上るとアンド
ゲートＡ２が高レベル「１」に立上り、その立上
り点でフリツプフロツプＦ１がリセツトされその
Ｑ出力が低レベル「０」となる。これによりアン
ドゲートＡ１がゲート閉（オフ）となり、カウン
タ１４２へのクロツクパルスは遮断される。アン
ドゲートＡ２の出力が「１」になつたとき、ラツ
チ１４３にカウンタ１４２のカウントコードが取
り込まれる。フリツプフロツプＦ１がリセツトさ
れ、ラツチ１４３にカウントコードが取り込まれ
た後に、アンドゲートＡ３がクロツクパルスを出
力し、カウンタ１４２をクリアする。ラツチ１４
３の出力コードはtdの間のクロツクパルス発生個
数を示し、このコードがtdを示すことになる。 第５図に示す電子処理ユニツト１６０は、１チ
ツプマイクロコンピユータ（大規模集積半導体装
置）１６１、電圧印加手段である増幅器１６２、
電流検出手段でもある定電流制御用の接合型Ｎチ
ヤンネルFET１、出力手段である抵抗１６３、
キヤパシタ１６４および増幅器１６５、およびク
ロツクパルス発振器１６６で構成する。抵抗１６
３とキヤパシタ１６４は、入、出力パルス周波数
よりも高い周波数の電圧振動を吸収するフイルタ
を構成している。マイクロコンピユータ１６１は
クロツクパルスを基本に5KHz〜30KHzの範囲内
の一定周波数のパルスを形成しこれを増幅器１６
２に与える。一方、マイクロコンピユータ１６１
はＮチヤンネルFET１とコイル４の一端との接
続点の電圧（増幅器１６５の出力電圧）を監視
し、それ自身が出力したパルスの立上り点から増
幅器１６５の出力電圧の立上り点まで（td）の間
クロツクパルスを出力する（DATA OUT）。 第１図に示す加減速度センサー１が、前述の電
気処理回路１００，１２０，１４０又は論理処理
装置１６０で加減速度に応じた電気信号を得られ
ることを説明する。まず、減速度が生じると加減
速度センサー１のウエイト１２の揺動によりコア
７の左側面に生じた引張荷重は非晶質金属軟磁性
体９の引張応力に変換される。そこで、次に非晶
質金属軟磁性体９の引張応力が電気信号に変換さ
れる点を第６ｅ〜６ｆ図に示す実験データを参照
して説明する。発明者（単数）は第６ａ〜６ｄ図
に示す如く非晶質金属軟磁性体９それぞれを２枚
づつエポキシ系接着剤にて一体に接着した２組
を、更に弾性体上に平行に一体接合したコア７
を、非晶質金属軟磁性体９を上側にして、コア７
の左側をダイス１３にて固定した。そのコア７の
右端から５mmの位置にプツシユプルゲージ（図示
略）にてＸ方向へ荷重を作用させて、非晶質金属
軟磁性体９への引張荷重ｘに対するVxおよびtd
を測定した。 形状の寸法ａ〜ｅ及び非晶質金属軟磁性体の材
質等と測定データの対応関係を次のテーブル１の
ケースNo.１〜２に示す。

【表】

【表】 ケースNo.１の場合には、第６ｅ図に示すデータ
より引張荷重ｘが０〜100ｇの範囲で精度の高い
電圧Vxが得られることが分る。 ケースNo.２の場合には、第６ｆ図に示すデータ
より０〜0.1Kgまでの範囲に対してリニアリテイ
が高く、しかも変化の大きい遅れ時間tdを得られ
る。 次に本発明の第２実施例を第７図に基づいて説
明すると、加減速度センサー１は樹脂製ケーシン
グ２を有する。該ケーシング２内にはボビン３が
固定され、該ボビン３に電気コイル４が巻回され
ている。電気コイル４の両端はそれぞれターミナ
ル５及び６に接続されている。７はコアを示し、
該コア７はエポキシ樹脂、塩化ビニール、ベリリ
ウム銅等より成る弾性体８及び該弾性体８の右側
外周に接合された軟磁性体９とを有している。 コア７はボビン３の孔１０内を挿通案内され、
弾性体８の上端はボルト１１によりケーシング２
の内部に固定されると共に下端にはウエイト１２
が固定されている。従つてコア７はボルト１１を
支点としてウエイト１２を揺動変位可能としてい
る。例えば、減速度が生じるとウエイト１２はボ
ルト１１を支点として反時計方向に揺動し、コア
７の右側面には圧縮荷重が生じ左側面には引張荷
重が生じる。従つてコア７の右側面に生じた圧縮
荷重は軟磁性体９に作用して圧縮応力が生じるこ
とになる。例えば、加速度が生じるとウエイト１
２はボルト１１を支点として時計方向に揺動し、
コア７の右側面には引張荷重が生じ左側面には圧
縮荷重が生じる。従つてコア７の右側面に生じた
引張荷重は軟磁性体に作用して引張応力が生じる
ことになる。 第７図に示す加減速度センサー１は前述の電気
処理回路１００，１２０，１４０又は論理処理装
置１６０で加減速度に応じた電気信号を得られる
ことを説明する。まず、減速度が生じると加減速
度センサー１のウエイト１２の揺動によりコア７
の右側面に生じた引張荷重は非晶質金属軟磁性体
９の圧縮応力に変換される。そこで次に非晶質金
属軟磁性体９の引張応力が電気信号に変換される
点を第８ｅ〜８ｆ図に示す実験データを参照して
説明する。 発明者（単数）は、第８ａ〜８ｄ図に示す如く
非晶質金属軟磁性体９それぞれを２枚づつエポキ
シ系接着剤にて一体に接着した２組を更に弾性体
８上に平行に一体接合したコア７を非晶質金属軟
磁性体９を上側にして、コア７の左側をダイス１
３にて固定した。そのコア７の右端から５mmの位
置にプツシユプルゲージ（図示略）にてＸ方向へ
荷重を作用させて、非晶質金属軟磁性体９への圧
縮荷重ｘに対するVxおよびtdを測定した。形状
の寸法ａ〜ｅ及び非晶質金属軟磁性体の材質等と
測定データの対応関係を前述のテーブル１のケー
スNo.３〜４に示す。 ケースNo.３の場合には、第８ｅ図に示すデータ
より、引張荷重ｘが０〜150ｇの範囲で精度の高
い電圧Vxが得られる。 ケースNo.４の場合には、第８ｆ図に示すデータ
より圧縮荷重ｘが０〜0.1Kg及び0.2〜0.35Kgの範
囲内でリニアリテイが高く、しかも変化の大きい
遅れ時間tdを得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の加減速度センサ
ー１の縦断図；第２ａ図は第１図に示す加減速度
センサー１に接続され、検出加減速度に対応した
レベルのアナログ電圧を生じる電気処理回路１０
０を示す回路図；第２ｂ図は第２ａ図に示す電気
処理回路１００の入、出力信号を示す波形図；第
３ａ図は第１図に示す加減速度センサー１に接続
され、検出加減速度に対応した時間差のパルスを
生じる電気回路１２０を示す回路図；第３ｂ図は
第３ａ図に示す電気処理回路１２０の入、出力信
号を示す波形図；第４図は第３図に示す電気処理
回路１２０の入、出力パルス時間差tdをデジタル
コードに変換する計数回路１４０を示すブロツク
図；第５図は第１図に示す加減速度センサー１に
接続され、１チツプマイクロコンピユータで加減
速度センサー１の電気コイル４に印加するパルス
電圧に対する電気コイル４に流れる電流の立上り
の遅れ時間を計数する電子処理ユニツト１６０を
示すブロツク図；第６ａ図はコア７の一端に荷重
を作用させ、その荷重に対応した表示電圧Vx及
びパルス時間差tdを実験で求めた時のコア７の斜
視図；第６ｂ図は第６ａ図に示したコア７の平面
図−電気コイル７は図示略とした−；第６ｃ図は
第６ａ〜６ｂ図に示したコア７において、非晶質
金属軟磁性体９に、引張荷重を作用させる実験の
配置関係を示す正面図−電気コイル４は図示略と
した−；第６ｄ図は第６ｃ図の平面図；第６ｅ図
は第６ａ〜６ｄ図に示す寸法及び配置関係で電気
コイル４には第２ａ図に示す電気処理回路１００
に接続して、引張荷重ｘに対する表示電圧Vxを
測定したデータを示すグラフ；第６ｆ図は第６ａ
〜６ｄ図に示す寸法及び配置関係で、電気コイル
４には第３ａ図に示す電気処理回路１２０に接続
して、引張荷重ｘに対する時間差tdを測定したデ
ータを示すグラフ；第７図は本発明の第２実施例
の加減速度センサー１の縦断面；第８ａ図はコア
７の一端に荷重を作用させ、その荷重に対応した
表示電圧Vx及びパルス時間差tdを実験で求めた
時のコア７の斜視図；第８ｂ図は第８ａ図に示し
たコア７の平面図−電気コイル７は図示略とした
−；第８ｃ図は第８ａ〜８ｂ図に示したコア７に
おいて、非晶質金属軟磁性体９に圧縮荷重を作用
させる実験の配置関係を示す正面図−電気コイル
４は図示略とした−；第８ｄ図は第８ｃ図の右側
面図；第８ｅ図は第８ａ〜８ｄ図に示す寸法及び
配置関係で、電気コイル４には第２ａ図に示す電
気処理回路１００に接続して、圧縮荷重ｘに対す
る表示電圧Vxを測定したデータを示すグラフ；
そして第８ｆ図は第８ａ〜８ｄ図に示す寸法及び
配置関係で、電気コイル４には第３ａ図に示す電
気処理回路１２０に接続して、引張荷重ｘに対す
る時間差tdを測定したデータを示すグラフであ
る。 ２：ケーシング、８：弾性体、７：コア、９：
非晶質金属軟磁性体、４：電気コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加減速度に応じて揺動変位する弾性体； 該弾性体に接合された非晶質金属軟磁性体； 前記弾性体および前記非晶質金属軟磁性体を有
   するコア； 該コアに巻回された電気コイル； 指示に応じて電圧を前記電気コイルに印加する
   電圧印加手段； 前記電気コイルに流れる電流値を検出する電流
   検出手段；および 該電流検出手段の測定電流の飽和までの時間を
   出力値とする出力手段； とを備えた加減速度センサー。