JPH0473753B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、直線運動による加速度を検出する加
速度検出器に関し、特に直交する３軸方向の加速
度を一体化した検出器構造で検出する３軸加速度
検出器に関する。

（従来技術） 従来、直線運動による加速度を検出する加速度
検出器にあつては、加速度によりプルーフ・マス
に発生する慣性力を、磁界中に置かれた導体に電
流を流すことにより発生する電磁力によつてバラ
ンスさせ、電磁力を発生する電流を加速度信号と
するサーボ型の加速度検出器が知られたおり、こ
のサーボ型加速度検出器としては、例えば第４図
に示すものがある。

第４図ａ，ｂにおいて、４０はケースであり、
ケース４０内には、フレキシブルヒンジ４２によ
つてプルーフ・マス４４が加速度の入力軸方向に
偏位自在に設けられる。プルーフ・マス４４の右
側にはトルカマグネツト４６により入力軸方向の
力を発生するトルカコイル４８が装着され、更に
プルーフ・マス４４の加速度による偏位を検出す
る発光素子５０と受光素子５２でなる偏位ピツク
アツプが設けられる。

またフレキシブルヒンジ４２は第４図ｃに取り
出して示すように、入力軸に直交する方向の剛性
を大とし、入力軸方向に対してのみ偏位できる構
造をもち、入力軸に直交する方向の加速度を受け
ても誤差を生じないようにしている。

このようなサーボ型加速度検出器の動作は、入
力軸に沿つて加速度が加わると、フレキシブルヒ
ンジ４２で支えられたプルーフ・マス４４が偏位
し、この偏位はピツクアツプで検出され、サーボ
アンプ５６の入力となる。サーボアンプ５６で増
幅された電流はプルーフマス４４に取り付けられ
たトルカコイル４８に流れ、ベース側に固定され
ているトルカマグネツト４６による磁束とトルカ
コイル４８を流れる電流の作用でプルーフ・マス
４２に慣性力と逆向きの電磁力を発生し、この電
磁力で偏位が零となるようにプルーフ・マス４２
を押し戻す。そして、このときのトルカコイル４
８に供給された電流が加えられた加速度に正確に
比例するので、この電流を例えば読取り抵抗の両
端電圧として計測することによつて加速度の大き
さを知ることができる。

また、３軸方向の加速度を一体化した検出器構
造で検出する３軸加速度検出器としては、例えば
第５図に示す米国特許第4372520号のものが知ら
れている。

この第５図に示す３軸加速検出器にあつては、
４つの磁極を内周に備えたステータ２４の中に、
Ｚ軸方向の電磁力を発生する４つのコイル１０
０，１０２，１０４，１０６、Ｘ軸方向の電磁力
を発生する２つのコイル１１８，１２０、更にＹ
軸方向の電磁力を発生する２つのコイル１３２，
１３４を設け、第４図の実施例と同様、３軸方向
の加速度によるプルーフ・マスの偏位を零とする
ように各コイルに電流を流して電磁力によりバラ
ンスさせ、各コイル電流から３軸方向の加速度を
検出するようにしている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の加速度検出器
にあつては次の問題があつた。

まず第４図に示した１軸加速度検出器の場合、
３軸方向の加速度を検出するためには、３個の加
速度検出器を準備し、これらを一定の角度関係に
保持固定する取付具を必要とし、従つて部品点数
は１軸加速度検出器の３倍となつて大型化し、コ
スト的にも高価であり、信頼度も低くなるという
問題があつた。

また、第４図ｃに示したように、プルーフ・マ
スを支持するフレキシブルヒンジ４２について、
入力軸の方向で撓み易く且つ入力軸に直交する方
向で剛性を大とする事は互いに矛盾する要求であ
り、例えば加速度感度を上げるために入力軸方向
に撓み易くすると直交方向の強度が不足し、直交
軸方向に大きな加速度を受けるヒンジが破壊に至
らなくともゼロ点変化や直線性の悪化等の性能劣
下が生ずる欠点がある。

一方、第５図に示した３軸加速度検出器にあつ
ては、コイル数が多く、重量及びコストが高くな
り、更に各コイルのプルーフ・マスに対する取り
付け方法が複雑になるためコイル電流によつて発
生する電磁力の方向の直交性の規制について組み
立て上の難点がある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてな
されたもので、簡潔な機構構造により３軸方向の
加速度を正確に検出することのできるコンパクで
コスト的にも安価な３軸加速度検出器を提供する
ことを目的とする。

この目的を達成するため本発明にあつては、３
軸方向で微小偏位自在に支持され各軸方向の加速
度に応じた慣性力を発生するプルーフ・マスと、
このプルーフ・マスの重心位置を中心として前記
慣性力に対し逆向きとなる３軸方向の電磁力を半
径方向の磁界中で個別に発生する単一のＸコイ
ル、Ｙコイル、及びＺコイルと、プルーフ・マス
の加速度による３軸方向の偏位を検出する偏位検
出器と、この偏位検出器で検出した各軸方向の偏
位を零に保つように前記各コイルに電流を流して
前記電磁力を慣性力にバランスさせるサーボ制御
手段とを設けるようにしたものである。

更に、前記各コイルの配置構造としては、半径
方向に磁界を発生する磁極部材の直径回りにＸコ
イルを巻き回すと共にこのＸコイルに直交する位
置で同じく直径回りにＹコイルを巻き回し、更に
磁極部材の外周に円筒状にＺコイルを巻き回すよ
うにしている。

（作用） このような本発明の構成によれば、３軸方向に
微小偏位自在に支持された１つのプルーフ・マス
は加速度を受けると固定側となるケースに対し相
対的に偏位し、このプルーフ・マスの偏位が偏位
検出器によつてＸ，Ｙ，Ｚ方向の偏位として検出
される。検出されたＸ，Ｙ，Ｚ方向の偏位信号
は、それぞれ増幅器で増幅され、プルーフ・マス
に取付けられたＸ，Ｙ，Ｚ軸各１個ずつのコイル
に電流を流す。各コイルは永久磁石による磁界中
に置かれているので、それぞれ慣性力に対し逆向
きのＸ，Ｙ，Ｚ方向の電磁力を発生し、プルー
フ・マスの慣性力による偏位が元の位置に戻るよ
うにフイードバツク制御される。各コイルにより
発生する３軸の復元電磁力はコイル電流に正確に
比例するように作られており、また増幅器のゲイ
ンを充分高く取ることにより、コイル電流はプル
ーフ・マスに働く慣性力、即ち加速度に正確に比
例したものとなり、Ｘ，Ｙ，Ｚコイルの電流は加
速度検出信号として外部に出力される。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示した組立分解図
である。

まず構成を説明すると、１は磁性材料で作られ
たケースであり、ケース１の内部に加速度検出器
の機構部品を収納すると共に、磁石３の外側磁路
を形成する。磁石３は受座２によつてケース１の
内側端面に取付けられ、磁石３はＺ軸方向に磁化
されている。磁石３に続いては端面に直交する溝
５ａ，５ｂを切つたポール５及び円筒状のポール
６が軸方向に順次組付けられ、このケース内の軸
方向に配置したポール５，６の外側に位置するケ
ース１の内周面には、直交する４箇所にポール４
ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが取付配置され、これらケ
ース１側のポール４ａ〜４ｄと内側のポール６と
の間に直径方向の磁束φを発生するようにしてい
る。ポール５の端面の直交する溝５ａ，５ｂと保
持具７との間にはＹコイル８とＸコイル９が直交
配置した状態で組込まれる。即ち、Ｙコイル８は
Ｙ軸方向に直交するポール６の直径回りに巻き回
されて配置され、一方、Ｘコイル９はＸ軸に直交
するポール６の直径回りに巻き回される。

更に、ポール６の外側に直交配置したＹコイル
８とＸコイル９の外側には、コイル組立体１９に
示すように、Ｚ軸回りに円筒状にＺコイル１０が
Ｚコイル枠１０ａによる支持をもつて巻き回され
ている。即ち、第１図の分解組立図にあつては、
コイル組立体１９に内蔵されるＹコイル８及びＸ
コイル９の状態を分離して示しており、Ｚコイル
１０を巻き回したＺコイル枠１０ａの中に、磁石
３に続いてポール５、ポール６及び保持具７、更
にポール６の外側に保持具７による支持で直交配
置されたＹコイル８及びＸコイル９が組込まれ
る。

そして、コイル組立体１９内のＸコイル９、Ｙ
コイル８及びＺコイル１０は、ケース１の内周面
に形成した４つのポール４ａ〜４ｄとポール６と
の間隔中でポール５の溝５ａ，５ｂにより制限さ
れた自由度の範囲内でＸ，Ｙ，Ｚ方向に可動自在
に組込まれており、Ｘコイル９、Ｙコイル８及び
Ｚコイル１０のそれぞれは、内側の円柱状のポー
ル６とケース１の内周面の４箇所に設けた４つの
ポール４ａ〜４ｄとの間の磁束φと鎖交するよう
に配置される。

コイル組立体１９は振子１４の先端に固定され
てプルーフ・マスを形成する。コイル組立体１９
に設けたＸコイル９、Ｙコイル８及びＺコイル１
０のそれぞれに電流を流すことで、振子１４のプ
ルーフ・マスを形成するコイル組立体１９に対
し、コイル電流とポール６とケース１のポール４
ａ〜４ｄ間に生ずる磁束φで定まる電磁力を３軸
方向のそれぞれに発生するようにしている。

このコイル組立体１９に発生する３軸方向の力
を第２図のケース１内の組立状態の断面図、及び
第３図の側面図を参照して説明する。

まずケース１の内周に配置した４つのポール４
ａ〜４ｄとコイル組立体１９の内側に配置したポ
ール６との間には、磁石３より矢印で示す半径方
向の磁束φが発生している。例えば、Ｘコイル９
を例にとると、Ｘコイル９のＺ軸に平行な部分は
磁束φと鎖交するので、Ｘコイル９の下側部分に
Ｚ軸の正方向に電流を流し、従つて上側の部分で
はＺ軸の負方向に電流を流すと、フレミングの左
手の法則により、Ｘコイル９の下側部分がＸ軸の
正方向、Ｘコイル９の上側部分もＸ軸の正方向
（磁束φも電流も向きが逆になるため）に電磁力
を生じ、従つてＸコイル９全体としてはＸ軸の正
方向に押される力を受ける。一方、Ｘコイル９に
流す電流の向きを逆にすると、力の向きも逆とな
り、Ｘ軸の負方向に向う力発生する。

Ｙコイル８については、例えば第３図に示すＹ
コイル８の右側でＺ軸に平行なコイル部分にＺ軸
の正方向に電流を流し、従つてＹコイル８の左側
のコイル部分ではＺ軸の負方向に電流を流すと、
Ｙコイル８にはＹ軸の正方向に向う力がフレミン
グの左手の法則に従つて発生する。

更に、Ｚコイル１０については、例えば第３図
において、Ｚコイル１０に時計方向に電流を流す
と、Ｚ軸の正方向に向う力がＺコイル１０に発生
する。

従つて、Ｘ，Ｙ，Ｚの各コイル９，８，１０に
流す電流の向きと大きさを変えることにより、コ
イル組立体１９に発生する電磁力による力ベクト
ルの大きさ及び方向を変えることができる。

再び第１図を参照にするに、振子１４はコイル
組立体１９の反対側においてフレツクス・サポー
ト１５の中心部に支点２０をもつて支持される。
フレツクス・サポート１５の支点２０は、Ｚ軸方
向の直線運動に対しては撓み易く、Ｘ，Ｙ方向の
直線運動に対しては撓み難いように剛性を大とし
ている。更に、振子１４はＸ軸及びＹ軸回りには
揺動し易く、Ｚ軸回りには揺動しずらく作られ
る。このように振子１４をＺ軸方向の直線運動Ｘ
軸及びＹ軸回りの揺動のそれぞれについては撓み
易くし、他の動きに対しては剛性を大とする構造
は、第１図に示したような薄い円板で成るフレツ
クス・サポート１５の外周部をケース１に固定す
ることで実現できる。このような振子１４の偏位
支持構造を更に適切に実現するためには、フレツ
クス・サポート１５を構成する薄い円板にダイヤ
フラムと同様、同心円状の蛇腹構造を設けるよう
にしても良く、或いは薄い円板で成るフレツク
ス・サポート１５の代わりに振子１４の支点２０
を数本の細いワイヤでケース１内に吊るすように
しても良い。

振子１４のコイル組立体１９側に近い部分には
プルーフ・マスのケース１に対する偏位を検出す
るための偏位検出器が設けられる。

第１図は一例として光電式の偏位検出器を示し
ており、振子１４を間に介してＹ軸方向に相対し
て一対の発光素子１１ａと受光素子１３ａを配置
し、更にＸ軸方向に相対して一対の発光素子１１
ｂと受光素子１３ｂを配置しており、発光素子１
１ａと受光素子１３ａによつてＸ軸方向の偏位を
検出し、また発光素子１１ｂと受光素子１３ｂと
によつてＹ方向及びＺ方向の偏位を検出する。

即ち、発光素子１１ａ，１１ｂ及び受光素子１
３ａ，１３ｂは互いに直交する位置でケース１内
に固定され、発光素子１１ａと受光素子１３ａの
光軸中心が通る振子１４の軸に直交する部分には
レンズ１２ａが嵌通配置され、また発光素子１１
ｂと受光素子１３ｂの光軸が嵌通する振子１４の
部分にもレンズ１２ｂが嵌通配置される。受光素
子１３ａ，１３ｂは４つの区分された感光面を持
つ４分割受光ダイオードを使用しており、２つず
つの区分された感光面からの出力を差動的に組合
わせることにより、直交する２方向の偏位を検出
することができる。

即ち、発光素子１１ａ又は１１ｂからの光束は
振子１４に取付けられたレンズ１２ａ，１２ｂに
より収束され、それぞれ受光素子１３ａ，１３ｂ
の受光面に投射される。従つて、振子１４に加速
度が作用し、プルーフ・マスが例えばＸ軸方向に
偏位すると、受光素子１３ａからの導線２１にこ
のＸ軸方向の偏位に比例した信号が発生し、増幅
器１６で増幅された後、増幅器１６の出力電流は
組立体１９に内蔵したＸコイル９にフイードバツ
クされる。このように検出信号に基づいてＸコイ
ル９にフイードバツクされる電流はプルーフ・マ
スに作用した慣性力による偏位を戻す方向に作用
し、増幅器１６のゲインを高くすることにより、
無視できる程度の微小偏位によつて加速度を受け
てプルーフ・マスに発生するＸ方向の力をＸコイ
ル９に流す電流により発生する電磁力とバランス
させ、このＸコイル９に流れる電流を外部に取出
すことでＸ軸加速度信号の出力を得ることができ
る。

Ｙ軸方向の加速度については、プルーフ・マス
のＹ軸方向の慣性力による偏位が受光素子１３ｂ
により検出され、導線２３を介して増幅器１８で
増幅されてコイル組立体１９に内蔵したＹコイル
８にフイードバツクされ、このＹコイルに流れる
電流がＹ軸加速度信号として外部に出力される以
外は前述のＸ軸加速度の場合と同様、Ｙ軸加速度
によりプルーフ・マスに発生するＹ方向の慣性力
をＹコイル８で発生する電磁力でバランスさせる
ようになる。

更に、Ｚ軸方向の加速度については、受光素子
１３ａと１３ｂの両方の出力からＺ方向の偏位を
検出することができ、このため受光素子１３ａ，
１３ｂの出力は導線２２，２４によつて増幅器１
７に入力され、増幅器１７から得られるＺ軸方向
の偏位検出信号に応じた電流をコイル組立体１９
のＺコイル１０に流し、Ｚ軸加速度によりプルー
フ・マスに発生する慣性力をＺコイル１０による
電磁力でバランスさせる。勿論、増幅器１７の出
力電流はＺ軸加速度信号として外部に出力され
る。

ここで、Ｚ軸方向の偏位信号を２系統の検出器
から得るようにしているため次の特徴が生ずる。

即ち、発光素子１１ａ，１１ｂ、レンズ１２
ａ，１２ｂ及び受光素子１３ａ，１３ｂにそれぞ
れ同一規格品を使用すれば、プルーフ・マスのＺ
方向の偏位に対し導線２２，２４に表われる信号
は偏位に比例したほとんど同一の値となるので、
増幅器１７で両者を加算することにより偏位検出
のゲインを２倍にすることができる。

また、受光素子１１ａ、レンズ１２ａ、受光素
子１３ａ、導線２２、若しくは発光素子１１ｂ、
レンズ１２ｂ、受光素子１３ｂ、導線２４のいず
れかが故障した場合、導線２２と導線２４に表わ
れる偏位検出信号に差を生ずるので、例えば増幅
器１７内に比較回路を設け、この差を検出すれば
偏位検出系の故障を容易に検出することができ
る。

次に、上記の実施例に作用を説明する。

今、Ｘ，Ｙ及びＺ軸から外れた任意の方向の直
線運動でプルーフ・マスに加速度が加わつたとす
ると、プルーフ・マスが加速度方向に偏位し、こ
のプルーフ・マスの偏位に基づき、受光素子１３
ａでＸ軸方向の偏位が、また受光素子１３ｂでＹ
軸方向の偏位が、更に受光素子１３ａ，１３ｂの
加算出力によつてＺ軸方向の偏位が検出される。
受光素子１３ａで検出されたＸ軸方向の偏位は増
幅器１６で増幅され、Ｘコイル９に偏位信号に応
じた電流を流し、このためコイル組立体１９はＸ
軸方向の慣性力による偏位に対し逆向きとなる同
じ大きさの電磁力による力を受け、プルーフ・マ
スのＸ軸方向の偏位を元に戻すようになる。この
ような偏位検出信号に基づいたコイルに電流を流
すことによる偏位方向と逆向きの電磁力によるプ
ルーフ・マスを元に戻す作用は、Ｙコイル８及び
Ｚコイル１０についても同様に行なわれ、任意の
方向の加速度による慣性力を受けたプルーフ・マ
スは常に初期位置を保つようにフイードバツク制
御され、Ｘコイル９，Ｙコイル８及びＺコイルに
流れる電流が各方向の加速度信号として外部に出
力される。

更に、第１図の実施例から明らかなように、プ
ルーフ・マスに加速度で作用する慣性力を打ち消
すための電磁力を発生するＸ，Ｙ，Ｚコイル９，
８，１０はそれぞれ単一のコイルであり、このよ
うなコイルを保持具７、コイル枠１０ａ、単一の
磁石３を使用した構造としているため、Ｘ，Ｙ，
Ｚ軸の各方向の電磁力が共通の着力点、即ち力の
中心に作用し、この電磁力が加わる力の中心をプ
ルーフ・マスの重心に一致させるようにコイル組
立体１９を配置させることが容易にできる。従つ
て、任意の３軸成分を持つ加速度を受けたとき、
プルーフ・マスの重心に発生する慣性力は発光素
子１１ａ，１１ｂ、レンス１２ａ，１２ｂ、受光
素子１３ａ，１３ｂによつて構成されるプルー
フ・マスの偏位検出器及びＸ，Ｙ，Ｚの各軸の増
幅器１６，１７，１８によるフイードバツク系に
より各コイルに電流を流すことにより発生する電
磁力は、プルーフ・マスの重心位置と同じ位置に
発生することになり、加速度によるプルーフ・マ
スの慣性力と各コイルによる電磁力とのバランス
が高精度で実現される。このため３軸加速度の検
出範囲内で任意の大きさ及び方向の加速度が加わ
つた場合にも、プルーフ・マスの慣性力は各コイ
ルにより発生した電磁力によつて支持され、この
慣性力と電磁力のバランスによりフレツクス・サ
ポート１５に力が掛かることはない。

このため、第４図に付した従来の１軸加速度検
出器においてはフレキシブルヒンジによりプルー
フ・マスを加速度の入力軸方向には剛性ができる
だけ小さく、且つ入力軸に直交する方向には充分
な剛性を持たせるという相反する要求を満たす必
要があつたが、本発明にあつては電磁力によりプ
ルーフ・マスは３軸方向でバランスされることか
ら、３軸方向の剛性を小さくすることが可能であ
り、フレツクス・サポート１５の剛性の温度変化
及び経時変化による零点や直線性の変動を少なく
でき、この結果、３軸加速度検出器の精度を大幅
に向上することができる。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明によれば、３軸
方向の加速度検出構造が一体化されていることか
ら、従来の１軸加速度検出器３個を一定の角度関
係に取付具によつて保持した場合に比べ、部品点
数を大幅に低減し、且つコンパクトとすることが
でき、信頼性及び精度も大幅に向上することがで
きる。

また、従来の３軸加速度検出器にあつてはＸ，
Ｙ及びＺ方向のバランス用の電磁力を発生するた
め、多数のコイルが必要であつたが、本発明にあ
つては、Ｘ，Ｙ及びＺ軸のそれぞれについて単一
のコイルだけで済み、コイル構造が大幅に簡略化
されることで検出器自体の小型化は勿論のこと組
立及び調整等も極めて容易であり、その結果、検
出精度の高い性能的に優れた３軸加速度検出器を
得ることができる。

更に、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各コイルにより発生する
電磁力の作用中心をプルーフ・マスの重心に一致
させていることから、プルーフ・マスに作用する
加速度による慣性力とコイルへの通電で発生した
電磁力とのバランスが優れ、電磁力によるバラン
ス状態でプルーフ・マスを支持しているフレツク
ス・サポートに力が掛かることなく、このためプ
ルーフ・マスを３軸方向に小さな剛性で支持する
ことができ、フレツクス・サポートの支持剛性が
小さいことから、温度変化、経時変化等による影
響がなく、３軸方向の各検出精度を大幅に向上す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した組立分解
図、第２図は第１図のコイル組立体の収納部の断
面図、第３図は第２図の側面図、第４図は従来の
１軸加速度検出器を示した説明図、第５図は従来
の３軸加速度検出器のコイル構造を示した説明図
である。 １……ケース、２……受座、３……磁石、４ａ
〜４ｄ，５，６……ポール、７……保持具、８…
…Ｙコイル、９……Ｘコイル、１０……Ｚコイ
ル、１０ａ……Ｚコイル枠、１１ａ，１１ｂ……
発光素子、１２ａ，１２ｂ……レンズ、１３ａ，
１３ｂ……受光素子（４分割受光ダイオード）、
１４……振子、１５……フレツクス・サポート、
１６，１７，１８……増幅器、２０……支点、２
１，２２，２３，２４……導線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ３軸方向で微小偏位自在に支持され各軸方向
   の加速度に応じた慣性力を発生するプルーフ・マ
   スと、該プルーフ・マスの重心位置を中心として
   前記慣性力に対し逆向きとなる３軸方向の電磁力
   を個別に発生する半径方向の磁界中に置かれた単
   一のＸコイル、Ｙコイル及びＺコイルと、前記プ
   ルーフ・マスの加速度による３軸方向の偏位を個
   別に検出する偏位検出手段と、該偏位検出手段で
   検出した各軸方向の偏位を零に保つように前記各
   コイルに電流を流して前記電磁力を慣性力にバラ
   ンスさせるサーボ制御手段とを備えたことを特徴
   とする３軸加速度検出器。 ２ 前記Ｘコイルを半径方向に磁界を生ずる円筒
   状の磁極部材の直径方向に巻き回すと共に、前記
   Ｙコイルを該Ｘコイルに直交する位置で同じ直径
   方向に巻き回し、更に前記Ｚコイルを前記磁極部
   材の円周方向に円筒状に巻き回したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の３軸加速度検出
   器。