JPH02243916A - 傾斜角度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、被測定物の傾斜角度を検出するだめの傾斜角
度センサに関し、さらに詳しくは、中空円筒形状の永久
磁石内に磁性球体と磁気抵抗素子とを配設し、該磁気抵
抗素子に対する該磁性球体の相対的な回転角度の変化を
電気信号として連続的に出力することにより、被測定物
の傾斜角度を検出するための傾斜角度センサに関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］従来、
被測定物の傾斜角度を測定するためのセンサとしては、
■磁性流体と磁石とを組み合わせる方式、■磁石とコイ
ルと振り子とを組み合わせる方式、■非磁性体製（例え
ば陶磁器製）の円筒容器中に装填された球状磁石と、そ
の容器の外周の適所に固定した複数の磁気センサとを組
み合わせる方式、■非磁性体製（例えば陶磁器製）の円
筒容器（又は受は皿）中に装填された磁性球体と、該容
器における鉛直方向の外周面に固定した板状又は棒状の
永久磁石及びその延長線上に配置した磁気抵抗素子とを
組み合わせて、容器が傾斜したときの磁性球体の離反に
より、磁石から磁気抵抗素子に作用している磁界強度に
影響を与え、その変化を電気的に検出する方式、等が知
られている。

しかるに、上記■のものにあっては、磁性流体の粘度が
変わると、応答速度も変化する。これは磁性流体の粘度
が温度により変化する特性を有するからであり、従って
センサが正確に作動可能な使用温度の範囲が狭いという
問題がある。

上記■のものにあっては、振り子を使用するため、配設
する素子の数に応じたＯＮ・ＯＦＦが可能であるが、連
続的な電気出力はできないこと、また振り子の支点とな
る軸受は機構を設ける必要がある等構造が複雑となりコ
ストが高（なる。さらに、他の方式のものに比べ振動等
の機械的外力に対して弱いという強度上の問題がある。

上記■のものにあっては、複数の磁気センサを必要とす
るため、連続的な電気出力を得ることができないこと、
また構造が複雑でかつコスト高となる問題がある。

さらに、上記■のものにあっては、検出可能な範囲が容
器の最下点を中心とした極めて局部的な部分でのＯＮ・
ＯＦＦに限られてしまうこと、また磁性球体の変化に対
応する連続的な出力信号が得られないという問題がある
。

そこで本発明の目的は、上記した問題点を解消し、１個
の磁気抵抗素子を用いて被測定物の傾斜角度を少なくと
も１８０°の角度の範囲でかつ連続的な電圧変化として
測定することのできる傾斜角度センサを提供することに
ある。

本発明の他の目的は、周辺温度の変化に影響されたりす
ることなく、被検出体の傾斜角度を正確に測定でき、か
つ簡単な構造により安価に製造できる大量生産に適した
傾斜角度センサを提供することを目的とする。

本発明のさらに他の目的は、所定角度の傾斜状態が一定
時間以上継続する場合、または所定の傾斜角度になるま
でに一定時間以上かかった場合のみに作動するセンサ、
すなわち急激かつ短時間の傾斜変化は無視することので
きる傾斜角度センサを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 本発明の傾斜角度センサは、「内側層と外側層との２極
に分極して着磁された円筒形に形成され、該円筒内で同
一の磁界が円筒軸心で反発し合ってバランスするように
形成される磁石と、磁気抵抗パターン面の略中心部を該
磁石の円筒軸心が直交する位置となるように、該円筒内
に配設された磁気抵抗素子と、上記円筒内において該磁
気抵抗素子の周囲に無端または有端の環状に形成された
密閉の液体室と、該液体室内に充填された液体の抵抗を
受けながら、該磁気抵抗素子を中心としてその周囲を正
逆公転自由に、該液体室内に装填された磁性球体と、を
有し、上記磁気抵抗素子と磁性球体との相対的な回転角
度の変化を連続的な電気信号として出力することにより
、被測定物の傾斜角度を検出可能に設けてなるｊことを
特徴とする。

（作用） 同一磁極で内周面を形成した円筒磁石の内空においては
、常態において、磁力線は円筒軸心を中心として互いに
放射状に反発し合って、その略軸心においてバランスす
るため、該略軸心部に、所定の磁界作用を電気信号とし
て検出する磁気抵抗素子を配設しても全方向の磁界がバ
ランスして打ち消し合い、出力信号を得ることはできな
い。

しかるに、上記した構成に係る本発明の傾斜角度センサ
は、内側周面が同一磁極で覆われた円筒６０石とその略
軸心部に配設された磁気抵抗素子との間に磁性球体が装
填されている。

しかも、該磁性球体は該円筒内に形成された環状の液体
室内に密閉充填されたダンパ液中にあって液体の抵抗を
受けながら移動自由に装填されている。

したがって、該円筒磁石の内面と磁性球体とが直接又は
間接に接触して磁気的に結合した部分は磁性球体が周囲
より突出した磁路を形成するので、磁力線が通り易くな
る。その結果、該磁力線は磁気抵抗素子の中心を貫通し
、それに反発対向する磁力線よりも強くなるので、該磁
気抵抗素子の中心部を外れた位置でバランスすることに
なる。すなわち、円筒磁石内空における上記した対抗磁
束相互のバランス状態は、磁気抵抗素子の中心と磁性球
体とを結んだ方向だけが他の方向と異なるものとなる。

而して、磁性球体が被測定物の傾斜に伴い磁気抵抗素子
周囲を移動することにより、磁性球体を通過する磁力線
（貫通磁界）と磁気抵抗素子との相対的な回転角度が変
化する。このとき、磁性球体は液体室内でダンパ液の抵
抗を受けながらゆっくりと移動するので突発的な衝撃等
による瞬間的な傾斜変化には反応せず、一定の傾斜が一
定時間維持された場合または一定の傾斜角度に至る速度
が所定スピード以下の場合のみ反応する仁とになる。

本発明の傾斜角度センサによれば、この回転角度の変化
を磁気抵抗素子からの連続的な電気信号として出力し、
被測定物の傾斜角度を正確に測定することができる。

（実施例） 次に１本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図及び第２図は本発明の一実施例にかかる傾斜角度
センサの斜視図である。ｌは永久磁石１０より構成され
る中空円筒体であり、磁気抵抗素子１３と磁性球体１５
とを内設している。なお、本実施例においては、該永久
磁石ｌＯの外面には外部保護層１２が、内面には磁性球
体１５を転動し易（するための十分平滑な内面と必要な
硬度を有する内部保護層１１が、嵌め込みされあるいは
コーティングされている。

永久磁石ｌＯは、第２図の一部切欠分解斜視図に示すよ
うに、中空円筒形状であり、かつ、例えば、内側層がＮ
極に外側層がＳ極となるように（第５図参照）、内側層
と外側層とに２極分極して着磁されている。従って、常
態における永久磁石ｌＯの筒体内部磁界は、Ｎ極で周囲
を覆われているので、磁力線が互いに反発し合い、筒体
の略軸心付近において反発力がバランスした状態が保持
されている。

磁気抵抗素子１３は、後述のケーシング２，３の突出部
２１．３１に固定される円筒状の支持部材１４内部に収
納支持され、かつ、第５図に示すように、永久磁石１０
の筒体軸心が磁気パターン面１４０の略中心を通って直
交するように配設される。而して、永久磁石１０からは
該磁気抵抗素子１３の磁気パターン面１４０に沿って３
６０゜の全方向の放射状外部磁界が付与される。

磁性球体１５は、鉄等の強磁性材料からなり、磁気パタ
ーン面１４０の仮想延長面が横切る永久磁石ｌＯの内周
面上であって、磁気抵抗素子１３の周囲に形成される液
体室１９内に装填される（第３図及び第４図参照）。こ
の液体室１９は、永久磁石ｌＯの内周面、支持部材１６
外周面およびケーシング２，３の突出部２１．３１の内
端面とにより環状に形成される密閉空間であり、すなわ
ち磁性球体１５は、この液体室１９に充填された適宜粘
稠度の水、シリコンオイル等のダンパ液中を正逆転動自
由に装填される。１６は円筒磁石１０内壁と支持部材１
４との間に介在配置して液体室１９を仕切るための隔壁
板であり、磁性球体１５が転動する際に押圧された液体
が該球体１５とともに同方向に流動しないように抑止し
、球体１５に対して所定の液体抵抗を付与するためのも
のである。もっとも、ダンパ液の粘稠度が十分大きい場
合にはこの隔壁板１６を設けずに、単純な無端環状の液
体室に形成してもよい。１７ａ。

１７ｂ、１８ａ、１８ｂは適宜位置に配置したシール用
Ｏリングである。

而して、常態において磁気パターン面１４０の略中心部
すなわち永久磁石１０の略軸心でバランスしている反発
磁界、すなわち磁気パターン面１４０に作用する外部磁
界は、この磁性球体１５の装填により、そのバランス状
態が変化する。つまり磁性球体１５を通過する磁力線と
、これに対向反発する磁力線とが磁気抵抗素子１３の中
心部から外れた点でバランスすることになる。このとき
、上記した磁気抵抗素子１３はこの反発磁界のバランス
状態の変化に伴ない、相応する電気信号を出力する。

かかる構成からなる中空円筒体１は、測定対象物の被検
出面（図示せず）に当接すべき少な（とも一つの平面た
る基準面Ｋを有するケーシングに支持固定される。

例えば、第１図及び第２図に示したように、突出部２１
．３１及び基準面Ｋをそれぞれ形成した２つのケーシン
グ２，３を対向配置し、該突出部２１．３１に中空円筒
体ｌを嵌合せしめその開口部を閉成し、筒体軸心が基準
面に平行となるように固定用ボルト４を締着して支持固
定する。なお、ケーシング２，３の突出部２１．３１に
は、磁気抵抗素子１３の保持用支持部材１４を嵌合固定
するための溝２２．３２が設けられてい、る。また、ケ
ーシング３には磁気抵抗素子１３用の電源コード５をセ
ンサ外部に引き出すための孔３３が形成されている。

ここで、上記した磁気抵抗素子１３は、第５図及び第６
図に示すように、ガラス製、セラミック製等の非磁性材
料からなる基板１３０の上面に、蒸着やスパッタリング
等により櫛歯状の磁気抵抗パターン１４０を形成し、こ
れをリードフレームのアイランド部１５０に載置して各
端子１６０〜１６３をリード端子１５１〜１５４に結合
したのち、第５図に示すようにバイアス磁石１８０を積
層し、さらに外被用のプラスチック等のモールド１７０
層により全体を密封したもの、または、第６ｃ図に示す
ように、バイアス磁石１８０のみモールド１７０層外に
積層したものである。

而して、バイアス磁石１８０の磁界は、第５〜６０図に
示すようにＹ軸方向すなわち上記パターン１４０の全て
の櫛目方向に対して４５゜に作用するように設定される
。このバイアス磁界により、磁気抵抗パターンの磁気ヒ
ステリシスによる不都合が解消される。すなわち、外部
磁界特に弱磁界において同一磁力でも履歴により出力電
圧に相違が生じるという欠点を除去し、第７図に示すよ
うな安定したリニアな出力電圧特性を生じさせるための
補正機能を持つものである。

なお、このバイアス磁界を発生させるに当り、第６ｃ図
に示すようにバイアス磁石１８０をモールド１７０層の
外面例えば底面に接着等１こより外付は固着することと
してもよいが、この場合には磁気抵抗パターン面との間
隔が大きいので強力な永久磁石が必要となる。

そこで、より効率のよい構成として第６ａ図及び第６ｂ
図に示すものを提案する。すなわち、基板１３０として
硬磁性材料を用い、上記パターン中の全ての櫛目方向に
対して４５°のバイアス磁界が作用するようにパターン
形成前の段階またはパターン形成後の適宜な時期に着磁
することにより、磁気抵抗パターン１４０面との間隔を
至近距離とし、これらをモールド１７０層内に密封固定
した素子とするものである。

この方式の利点は、基板１３０が通常正方形または矩形
に成形して使用されるため、いずれか−辺に対して直角
な方向に磁束が生じるように位置決めして正確にｆｆｆ
！することが容易であるとともに、このような方形の基
板１３０の各辺に対してそれぞれ４５°の角度の櫛目に
よるパターンを正確に形成することが容易である、とい
うことである。

また、パターン面に接した至近距離に基板１３０と共通
のバイアス磁石１８０が位置することとなるので、非常
に弱い磁力でもってヒステリシス補正のために必要なバ
イアス磁束量を供給することができ、永久磁石１０によ
る外部磁界が弱い場合にも高感度で出力できるので、磁
気センサとしての性能を向上させることができる。さら
に、バイアス磁石をより薄型にすることができる。

なお、第６ｂ図に示すように、基板１３０と磁気抵抗パ
ターン面１４０との間に平滑度の高い薄膜の絶縁層１９
０を介在させることにより、磁気抵抗パターン１４０を
均一厚さの平滑な面に形成するとともに、バイアス磁石
１８０が導電性材料であるときにおけるリードフレーム
のアイランド部１５０との絶縁性を確保するようにして
もよい。

かかる構成の傾斜角度センサによれば、基準面Ｋが重力
方向に対して直角であるとき、磁気抵抗素子１３の中心
と磁性球体１５の中心は、第５図のＹ軸上に位置する。

このとき、磁気抵抗素子１３に対する永久磁石ｌＯから
の磁界作用は、磁性球体１５を通過する貫通外部磁界（
Ｈｅｘ）の角度すなわちＹ軸方向によって決定され、こ
の場合にセンサから出力される電圧は、第７図のグラフ
において原点（Ｐ）にある。

なお、この出力特性グラフにおいてはＸ軸を回転角度０
°としているからＹ軸は回転角度９０゜を示ず。

また、基準面Ｋが第１図において実線矢印ｅ方向に傾斜
すると、中空円筒体１を構成している永久６ｎ石ｌＯと
磁気抵抗素子１３はケーシング２゜３とともに同じくｅ
方向に回転する。このときＥＱ性球体１５は、磁気抵抗
素子１３に対して常に重力方向すなわち第５図Ｙ軸上に
位置しようとする。かかる状態は、相対的には磁性球体
１５が磁気抵抗素子１３の周囲を回転しているとみるこ
とができる。

かかる見方をした場合、磁性球体１５は、第５図におい
て実線矢印ｇ方向に回転していることになる。その結果
、Ｕａ気低抵抗素子１３対する貫通外部磁界（Ｈｅｘ）
の相対的角度が変化し、それに伴って出力電圧が第５図
破線矢印ａで示す変化となる。ここで、磁性球体１５は
液体室内において少なくとも１８０°の角度の範囲で移
動可能であるから、この出力変化は第７図から明らかな
ように、略正弦波状に変化するが、少な（とも原点（Ｐ
）から＋６０°すなわち角度９０°から１５０°までの
回転角の間では、磁性球体１５の回転角度に相応して（
Ｐ）から（Ｑ）までの直線的な出力電圧の増加が得られ
る。

一方、基準面Ｋが第１図において破線矢印ｆ方向に回転
傾斜した場合には、Ｅ１１性球体１５は第５図破線矢印
り方向に回転することになる。

この場合の磁気抵抗素子１３に対する貫通外部磁界（Ｈ
ｅｘ）の角度変化に伴う出力電圧の変化は、第７図破線
矢印すで示す変化となる。このとき、少なくとも原点Ｃ
Ｐ）から−６０°すなわち角度９０６から３０°までの
回転角の間では、磁性球体１５の回転角度に対して（Ｐ
）から（Ｒ）　までの直線的な出力電圧の減少が得られ
る。

なお、第７図の磁性球体１５の回転角度に対する出力電
圧の変化グラフにおける負のピーク（Ｓ）、原点（Ｐ）
及び正のビーク（Ｔ）の各点に対応する合成磁界の方向
と磁気抵抗パターン１４０との関係を第８ａ〜８０図に
示す。

同図において、Ｈｂ　ｉはバイアス磁石による６Ｒ界を
、Ｈｅｘは磁性球体１５を通過して磁気抵抗素子１３を
貫通する貫通外部磁界を、）Ｉ　ｃ　ｏ　ｍは′Ｈｂｉ
とＨｅ　ｘとによる合成磁界をそれぞれ表す。

上記のように、直線的な出力電圧を得られる精密な磁気
抵抗素子１３を使用すれば、動作基準点の原点（Ｐ）を
境として、出力電圧のｒ正」　「負ｊにより左右又は前
後の傾斜（又は回転）方向を区別して知ることができる
と同時に、その傾斜角度も正確に検出することができる
。

さらに、本発明によれば、磁気抵抗素子１３としてさほ
ど精度の高くないものを使用した場合であっても、スイ
ッチング用のセンサとして十分な機能を有する。すなわ
ち、出力電圧特性グラフが通常の滑らかな曲線波形の正
弦波であって、直線的な出力電圧部が得られない精度の
低い磁気抵抗素子であっても、第５図に示した（Ｓ）ま
たは（Ｔ）が動作基準点となるように、磁気抵抗素子１
３と磁性球体１５との相対的な回転角度を初期設定して
おき、かつ例えば動作基準点を（Ｔｌ　とした場合には
「しきい値ｊ」を設けることにより、スイッチングする
ことができる。

この場合に、出力電圧がしきい値ｊよりも高いとき、す
なわち各点（Ｔ）　、　（ｍ）　、　（ｎ）で囲まれた
領域での出力と、しきい値ｊより低いときの出力は、両
方とも「＋」の電圧であるため傾斜（又は回転）の「方
向」は認識することは出来ない。しかし、しきい値ｊを
境として所定の角度の範囲内であるか、又はその範囲外
であるかを識別することによりスイッチングを行なうこ
とができるものである。而して、このしきい値ｊを、ボ
リューム等の可変機構を用いて任意に設定することによ
り、各種の安全装置や警報装置に適用することができる
。

しかも、本発明によれば、Ｕａ性球体１５は転動移動す
る際に、液体室１９内においてダンパ液の粘稠度及び磁
性球体１５と液体室の内壁との間隙面積（クリアランス
）に応じたダンパ液の抵抗を受けつつ移動するので、基
準面Ｋが急激に傾斜したり揺動したりしても、磁性球体
１５が激しく正逆方向に転動することがない。すなわち
、磁性球体１５に液体の抵抗を作用させることにより、
ケーシング２，３の設置される状況に応じて磁性球体１
５の応答感度を調節することができ”るものである。

（発明の効果） 本発明の傾斜角度センサによれば、磁気抵抗素子を中心
としてその周囲を自由に転動公転するように磁性球体を
配設し、両者の相対的な回転角度に応じた連続的な電気
信号に変換して検出することにより、被測定物の傾斜角
（回転角）を測定する構造であるため、磁性流体を使用
したセンサのように周辺温度に左右されることがないと
ともに、複数の素子を列設する場合の出力信号の不連続
や、コスト高の欠点がない。

また、磁性球体がダンパ液中を移動する構造であるので
、瞬間的に生じる傾斜変化に反応することがなく、被測
定物が一定時間一定角度以上の傾斜を生じたとき、また
は所定以下の速度で一定の傾斜角度となったときのみ反
応出力するように設けることができる。したがって、例
えば本発明にがかるセンサを自動車内に配設した場合等
において、一定時間一定傾斜が維持されなければ反応し
ないので、自動車等の走行中に多少の揺れが生じても該
センサに接続される警報計器類が誤作動することを防止
できる。

さらに、素子又は磁石の一方を重力方向に姿勢保持する
ための内部回転体やこれを支持するための精密な軸受は
機構も不要であるので、簡単な構造で安価に製造でき大
量生産に適しているとともに、取扱いも簡易であり、建
設、農業分野その他あらゆる分野における傾斜角（回転
角）の検出に使用することができる。

さらに、磁気抵抗素子として、バイアス磁石を磁気パタ
ーン面に密接配置して磁気効率を向上せしめたものを使
用すれば、回転角度に対応して電圧変化を広範囲に亙り
リニアに出力することのできる高感度な傾斜角度センサ
とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る傾斜角度センサの一実施例を示す
斜視図、第２図は同実施例の一部切欠分解斜視図、第３
図は同実施例の一部切欠側面図、第４図は第３図ＩＶ　
−ＩＶ断面図、第５図は磁気抵抗素子と磁性球体を通過
する貫通外部磁界との関係を示す一部切欠概略構成斜視
図、第６ａ〜６０図は磁気抵抗素子の実施例を示す第５
図ＶＩ　−Ｖｌ’断面図、第７図は貫通外部磁界の回転
角度に対する電圧出力特性グラフ、第８ａ〜８０図は磁
気抵抗素子におけるバイアス磁界と貫通外部磁界の合成
磁界の関係を示す説明図、である。 ３０・・・・・・基板 ４０・・・・・・磁気抵抗パターン ８０・・・・・・バイアス磁石

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）内側層と外側層との２極に分極して着磁された円
   筒形に形成され、該円筒内で同一 の磁界が円筒軸心で反発し合ってバランス するように形成される磁石と、 磁気抵抗パターン面の略中心部を該磁石 の円筒軸心が直交する位置となるように、 該円筒内に配設された磁気抵抗素子と、 上記円筒内において該磁気抵抗素子の周 囲に無端または有端の環状に形成された密 閉の液体室と、 該液体室内に充填された液体の抵抗を受 けながら、該磁気抵抗素子を中心としてそ の周囲を正逆公転自由に、該液体室内に装 填された磁性球体と、 を有し、上記磁気抵抗素子と磁性球体との 相対的な回転角度の変化を連続的な電気信 号として出力することにより、被測定物の 傾斜角度を検出可能に設けてなる傾斜角度 センサ。
2. （２）上記請求項１に記載の傾斜角度センサにおいて、 被測定物に当接すべき基準面を有する ケーシングと、 円筒軸心が略水平となるように該ケーシ ングに支持固定され、かつ該ケーシング壁 面により開口部が閉成された筒状の永久磁 石と、 強磁性体薄膜製の磁気抵抗パターン層に バイアス層を積層してなり、かつ上記ケー シングに連設された非磁性体製の支持部材 を介して上記永久磁石円筒体内に配設固定 された磁気抵抗素子と、 該永久磁石の円筒内周面、該磁気抵抗素 子用の支持部材の外周面及びケーシング壁 面とにより密閉した環状空間に形成された 液体室と、 該磁気抵抗パターン面の仮想延長面が横 切る永久磁石内周面上において該液体室内 を転動自由に挿填されて、筒状の永久磁石 内の反発磁界のバランスを変化させる磁性 球体と、 を備えたことを特徴とする傾斜角度セン サ。