JPH05113448A - 加速度センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 加速度の検出質量である２個の磁石と、前記
磁石が一軸上を自由に変位できる通路を有するハウジン
グと、前記検出質量の変位を磁束密度の変化として検知
できる磁気センサーよりなる加速度センサーであって、
前記２個の磁石よりなる検出質量が同極同士を対向させ
ることで、斥力により、ハウジング両端部の側壁に配置
されていることを特徴とする。 【効果】 本発明の加速度センサーは、革新的に簡単な
構造により磁気センサーを検出質量である磁石が変位す
る軸方向の磁束密度を測定するように配置することが可
能となったことから、検出質量の変位を磁束密度の強さ
として簡単に精度良く測定できるようになり、加速度の
リアルタイムな定量を実現したものである。又、簡単な
構造による高い信頼性と高い量産性を実現したものであ
り、ハウジングの長さを変更することにより反応する加
速度のしきい値を自由に変えることができるという特徴
も有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車等の運動体の加
速度、振動等を検出する装置（加速度センサー）に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気センサーや磁石を利用した加
速度センサーとしては、図６のようにバネに固定された
検出質量の変位を検出質量に磁石や透磁性材料を用いる
ことにより、磁気センサーの出力変化として用いる方
法、あるいは、図７のように磁石の斥力を利用して磁石
自身により図６と同様なバネ系を形成するもの、あるい
は、図８のように磁石と磁石、あるいは透磁性材料との
引力を利用して、一定のしきい値以上の加速度により引
力に打ち勝って変位する検出質量を電気接点等を用いて
検知するもの等があった。しかし、第１のような方法で
は、磁気センサーの出力と加速度に対応した変位量の関
係が、複雑になり、精度良く測定するためには磁気セン
サーアレイを用いなければならないことから装置自体が
複雑になることや、一定のしきい値以上の加速度にのみ
反応するようにすることが困難なこと、又、動作チェッ
クや感度較正が難しいこと、更には腐食や疲労等のバネ
の信頼性上の問題等が存在していた。又、第２の方法で
は磁石の斥力を利用して第１の方法と同様なバネ系を形
成することにより、バネの信頼性上の問題はクリヤーで
きるが、第１の方法の残った問題点を解決することはで
きなかった。更に、第３の方法では、一定のしきい値以
上の加速度にのみ反応するようになっているが、磁石の
強さでしきい値を精度良く設定することは難しく、又、
加速度そのもののリアルタイムな定量性がないこと、１
度作動すると再度作動させるためには初期の位置に引き
戻すための何らかの手段が必要になること等の問題を持
っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は以上説
明した問題点を解消し、加速度のリアルタイムな定量が
できると同時に、反応する加速度のしきい値の設定が容
易であり、かつ、構造が簡単で、信頼性の高い加速度セ
ンサーを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、加速度の検出
質量である２個の磁石と、前記磁石が一軸上を自由に変
位できる通路を有するハウジングと、前記検出質量の変
位を磁束密度の変化として検知できる磁気センサーから
なっており、前記２個の磁石よりなる検出質量が、同極
同士を対向させることで、斥力により、ハウジング両端
部の側壁に配置されていることを特徴とする加速度セン
サーである。

【０００５】以下本発明の加速度センサーについて、実
施例を示す図１を参照して説明する。図中において、１
は加速度の検出質量である磁石であり、２は検出質量で
ある磁石の変位を磁束密度の変化として検知できる磁気
センサー、３は検出質量である磁石が一軸上を自由に変
位できる通路を示しており、４はハウジング、５はハウ
ジング両端部の側壁、６は磁気センサーの入出力を取り
出すリードを示している。加速度の検出質量である２個
の磁石１は同極同士を対向させることで、互いの斥力に
よってハウジング両端部の側壁５に押しつけられてお
り、ハウジング両端部の側壁５とは固定されていないこ
とから、ハウジング両端部の側壁５に押しつけられた力
にまさる加速度に対応して図２のように通路３内を自由
に移動することができる。この加速度と２個の磁石の斥
力がつりあった図２の状態における検出質量の変位との
関係は近似的に以下の運動方程式によって記述できる。

【０００６】ｍａ＝３Ｍ² ／２πμ₀ Ｌ⁴ （式１） ここで、ｍは磁石の質量、ａはセンサーが受ける加速
度、Ｍは磁極の強さ、μ ₀ は真空中の透磁率、Ｌは２個
の磁石の中心間の距離である。加速度と２個の磁石の斥
力がつりあった状態における検出質量の変位量を磁束密
度の変化に対応した磁気センサーの出力として取り出す
ことで、加速度を測定することができる。図２のような
加速度と２個の磁石の斥力がつりあった状態において、
通路の中心に配置された磁気センサーの位置における磁
界の強さは近似的に以下の式により表される。 Ｈ＝２Ｍ／４πμ₀ ×｛（１／（Ｌ−Ｌ₀ ／２）³−
（１／（Ｌ₀ ／２）³ ）｝（式２） ここで、Ｌ₀ は静止もしくは等速直線運動時の２個の磁
石の中心間の距離である。

【０００７】従って、 Ｂ＝μ₀ Ｈ （式３） であることにより、磁束密度を磁気センサーの出力Ｖ
_OUT として取り出すことで、式１、式２、式３より決ま
る図３のような関係により、加速度をリアルタイムで測
定することができる。本発明の加速度センサーにおいて
は式１、式２よりわかるように、検出質量である２個の
磁石の質量ｍや磁極の強さＭだけでなく、２個の磁石の
間の距離Ｌ₀ を変えることにより、反応する加速度のし
きい値を自由に変えることができるという特徴を持つ。
即ち、ハウジングの長さを変更することにより反応する
加速度のしきい値を自由に変えることができる。

【０００８】本発明の反応する加速度のしきい値を自由
に変えることができるという特徴を持つ加速度センサー
において用いられる磁気センサーは検出質量である磁石
の変位を磁束密度の変化として検知できるものであれば
ホール素子、磁気抵抗素子、ピックアップコイル、リー
ドスイッチ等何でも良いが、加速度をリアルタイムで精
度良く測定するという観点から、出力電圧Ｖ_OUT が磁束
密度Ｂに比例するホール素子は最も好ましいものであ
る。又、本発明において用いられるホール素子等の磁気
センサーの位置および数は、検出質量である磁石の変位
を磁束密度の変化として検知できる位置および数であれ
ば図４に示すようにどのように配置しても良いが、通路
の中心に配置することは一軸上の±両方向の加速度に対
して対称的な±両方向の出力電圧Ｖ_o が得られることか
ら、特に好ましいものである。

【０００９】更に、本発明に用いられる磁気センサーに
おいてはホール素子、磁気抵抗素子等を制御・駆動機能
を持たせた集積回路とハイブリッド化もしくはモノリシ
ック化することで１つのパッケージにしたものを用いる
ことは特に好ましいものである。又、本発明の加速度セ
ンサーにおいて用いられるハウジングは、非磁性の金属
材料もしくは樹脂材料により形成された円筒形もしくは
角形のパイプ等と両端部のふたより構成されるが、検出
質量である磁石が移動する通路部の内壁は、磁石移動時
の摩擦抵抗を最小限に抑える必要から十分平滑であるこ
とが要求される。この為、金属材料の場合電解研磨その
他の方法で内壁を鏡面研磨したものや、テフロン樹脂等
をコーティングしたものが好ましく用いられ、樹脂材料
の場合、テフロン樹脂等を用いることも好ましく行われ
る。又、磁石とハウジングとの接触面積を最小に抑える
目的で、磁石の軸中心に穴部を設け、ハウジングにこの
磁石の穴部を通し、スライドさせるための支持柱を設け
ることも好ましい方法である。更に、本発明の加速度セ
ンサーに用いられるハウジングにおいては、通路内の空
気抵抗をなくす目的で、磁石移動時に空気を逃がすため
の穴部をハウジングのパイプ部、ふた部に設けることも
好ましく行われ、又、パイプ部の内壁に同様の目的で、
予め軸方向に溝を入れておくことも好ましく行われる。

【００１０】又、本発明の加速度センサーにおいて用い
られる加速度の検出質量である磁石は、小型で強く、残
留磁束密度Ｂ_r、保磁力Ｈ_c、最大エネルギー積ＢＨ_maX
の大きいものであれば何でも良いが、フェライト磁石、
サマリウムコバルト磁石、ネオジウム鉄ボロン磁石等が
好ましく用いられ、その平滑な表面状態から前記材料を
用いたプラスチックマグネットは特に好ましく用いられ
る。又、本発明で用いられる磁石の形状については前述
の磁石とハウジングとの接触面積を最小に抑え、摩擦抵
抗を最小にする目的や通路内の空気抵抗をなくす目的
で、軸方向に穴部や溝部を持ったものを用いても良い。

【００１１】又、本発明の加速度センサーは、検出質量
としての２個の磁石を同極同士を対向させることで、斥
力により、ハウジング両端部の側壁に配置されているこ
とを特徴とするが、反応する加速度のしきい値や感度を
自由に変える手段の１つとして、磁石の質量ｍを大きく
するために、磁石とおもりを組み合わせて１つの検出質
量として用いても良く、このような場合も本発明の範囲
である。

【００１２】又、本発明の加速度センサーにおいては、
センサーの感度や反応する必要のある周波数の程度によ
り、検出質量である磁石が加速度の大きさに応じて変位
する通路内に、潤滑剤のような機能を持つ粘性流体を充
填することで、バネ系におけるダンパーの機能を持たせ
ることも好ましく行われる。このダンパー機能は粘性流
体の粘度を変えることで調節することが可能であり、粘
度の小さな流体を充填することで、主に潤滑剤を目的と
して用いることも好ましく行われる。

【００１３】又、本発明の加速度センサーにおいては、
図５のように加速度に対応した検出質量である磁石の変
位を打ち消す磁場を発生するためのコイルを用いて、こ
のコイルに流す電流量を検知することにより高精度の測
定を行う、いわゆるサーボ型センサーとして用いること
も好ましく行われる。この場合、加速度センサーが加速
度を受けることにより、検出質量である磁石が移動する
ことでその変位量に応じた出力を磁気センサーが発生す
るが、この磁気センサーの出力に応じてこれを打ち消す
ように、コイルに電流が流される。この電流量を検知す
ることにより、加速度の高精度測定を行うことができ
る。又、この場合、前記加速度の検出質量である磁石が
自由に変位できる通路に、粘性流体が充填されていても
よいことはいうまでもない。

【００１４】又、本発明の加速度センサーにおいては、
外部磁界の影響をなくす目的で、センサー自身に磁気シ
ールド等の手段を施しても良く、又、磁石の減磁を抑え
る目的で、適当な磁気回路等をハウジング周辺部に組む
ことも好ましく行われる。

【００１５】

【実施例】

【００１６】

【実施例１】内壁を電解研磨により平滑にした内径３．
１ｍｍ、長さ１８ｍｍのＡｌ製パイプの中央部にホール
素子が入る大きさの穴を開けた上で、横方向よりホール
素子を挿入し、樹脂を用いて固めることで、ホール素子
がパイプの軸方向の磁束密度を測定することができるよ
うにセットした。次に、東北金属製のサマリウムコバル
トよりなるプラスチックマグネットＬＪ−１２０を用い
て直径３．０ｍｍφ、高さ４ｍｍの円柱状に成形した重
さ０．２ｇ、表面磁束密度２．２ｋＧの２個の磁石を同
極同士を対向させるようにパイプ内にセットした上で、
ハウジング両端部にＡｌ製のふたをすることで、斥力に
より、検出質量である２個の磁石がハウジング両端部の
側壁に押しつけられている図１のような構造の加速度セ
ンサーを作製した。

【００１７】なお、予め加速度センサーのハウジングの
パイプ部およびふた部には通路内の空気抵抗をなくす目
的で、磁石移動時に空気を逃がすための穴を形成した。
続いて、ふた部に形成した穴より棒を入れることにより
図２のように磁石を強制的に移動させることで、磁石の
変位量とホール素子出力の関係について調べ、加速度セ
ンサーの仮想動作チェックおよび感度較正を行った。

【００１８】更に、製作した加速度センサーを用いて加
速度と出力電圧の関係を実測した結果を図３に実測点と
して示す。ほとんど計算通りに、加速度を磁気センサー
の位置における磁束密度の大きさとして測定できたこと
を示している。このように本発明の加速度センサーにお
いては、加速度のリアルタイムな定量が可能であり、
又、反応する加速度のしきい値の設定は磁石の質量ｍや
磁極の強さＭだけでなく、ハウジングの長さを変更する
ことにより容易にできることが理解できる。又、本発明
の加速度センサーにおいて、従来の加速度センサーでは
難しかった仮想動作チェックや感度較正が容易に行える
ことは、本実施例中に示した通りである。

【００１９】又、本発明の加速度センサーにおいては、
応用として図５のように加速度に対応した検出質量であ
る磁石の変位を打ち消す磁場を発生するためのコイルを
追加するという簡単な改造で、このコイルに流す電流量
を検知することにより高精度の測定を行えることは前述
の通りである。

【００２０】

【実施例２】実施例１と同様に内壁を電解研磨により平
滑にした内径３．１ｍｍ、長さ１８ｍｍのＡｌ製パイプ
の中央部にホール素子が入る大きさの穴を開けた上で、
横方向よりホール素子を挿入し、樹脂を用いて固めるこ
とで、ホール素子がパイプの軸方向の磁束密度を測定す
ることができるようにセットした。次に、東北金属製の
サマリウムコバルトよりなるプラスチックマグネットＬ
Ｊ−１２０を用いて直径３．０ｍｍφ、高さ４ｍｍの円
柱状に成形した重さ０．２ｇ、表面磁束密度２．２ｋＧ
の２個の磁石を同極同士を対向させるようにパイプ内に
セットするとともに、パイプ内に潤滑油を充填し、ハウ
ジング両端部にＡｌ製のふたをすることで、斥力によ
り、検出質量である２個の磁石がハウジング両端部の側
壁に押しつけられている図１のような構造の加速度セン
サーを作製した。なお、予めパイプ部の内壁には磁石移
動時の抵抗を減らす目的で、潤滑油の逃げ道となる溝を
軸方向に入れておいた。更に、製作した加速度センサー
を用いて加速度と出力電圧の関係を実測したところ、潤
滑油を充填したことによるダンパー機能により、一定の
加速度に対する出力電圧の値は実施例１の場合に比べて
小さくなったが、加速度に対して反応する出力電圧の傾
向は実施例１とほぼ同様であった。

【００２１】

【発明の効果】本発明の加速度センサーは加速度の検出
質量である２個の磁石が同極同士を対向させることで、
斥力により、ハウジング両端部の側壁に押しつけられて
いるという構造をとることにより、革新的に簡単な構造
の加速度センサーを実現したものであり、これにより加
速度センサーの信頼性と量産性を大幅に向上させたもの
である。即ち、従来の図６、図７に示したような１つの
検出質量を持つ加速度センサーのバネ系を分解し、２つ
の検出質量に±両方向の加速度の測定を分担させるよう
にしたことにより、検出質量である２個の磁石の質量ｍ
や磁極の強さＭだけでなく、２個の磁石の間の距離Ｌ₀
を変えることで、容易に反応する加速度のしきい値を変
えることができるようにしたものである。具体的には、
本発明の加速度センサーにおいてはハウジングの長さを
変更することにより反応する加速度のしきい値を自由に
変えることができる。

【００２２】又、このような構造により、ホール素子の
ような磁気センサーを検出質量である磁石が変位する軸
方向の磁束密度を測定するように配置することが可能と
なったことから、検出質量の変位を磁束密度の強さとし
て簡単に精度良く測定できるようになり、加速度のリア
ルタイムな定量を実現したものである。更に、本発明の
加速度センサーにおいては従来の加速度センサーでは難
しかった仮想動作チェックや感度較正が容易に行えるこ
とから、量産時の製品チェックが容易であり、その革新
的に簡単な構造とともに量産上のメリットは大きく、低
コストで信頼性の高い加速度センサーを量産することを
可能にしたものである。

【００２３】以上述べたように、本発明の加速度センサ
ーは、その革新的に簡単な構造により、加速度の高精度
の測定を実現しつつ、高い信頼性と高い量産性を実現し
たものであり、反応する加速度のしきい値を自由に変え
ることができるという特徴から、自動車その他のエアバ
ック等の用途をはじめとして広い用途で利用することが
できることから、本発明の工業的メリットは大きくはか
りしれない。

【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図。（静
止もしくは等速直線運動時における状態を示す図。）

【図２】本発明の加速度センサーの加速度運動時におけ
る状態を示す図。

【図３】本発明の加速度センサーの加速度と出力電圧の
関係を示す図。

【図４】本発明の加速度センサーにおける磁気センサー
の配置位置を示す例。 （ａ）磁気センサーを通路内に中心よりはずれて配置し
た例。 （ｂ）磁気センサーをハウジングの両端部に２個配置し
た例。

【図５】本発明のサーボ型加速度センサーの構造を示す
図。

【図６】磁気センサーや磁石を利用した従来の加速度セ
ンサーを示す図。

【図７】磁気センサーや磁石を利用した従来の加速度セ
ンサーを示す図。

【図８】磁気センサーや磁石を利用した従来の加速度セ
ンサーを示す図。

【符号の説明】

１ 磁石（検出質量） ２ 磁気センサー（ホール素子等） ３ 通路 ４ ハウジング（パイプ部） ５ ハウジング（両端側壁部） ６ リード線 ７ コイル ８ バネ ９ 固定磁石 １０ 導電性材料 １１ 電気接点

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加速度の検出質量である２個の磁石と、
   前記磁石が一軸上を自由に変位できる通路を有するハウ
   ジングと、前記検出質量の変位を磁束密度の変化として
   検知できる磁気センサーからなっており、前記２個の磁
   石よりなる検出質量が、同極同士を対向させることで、
   斥力により、ハウジング両端部の側壁に配置されている
   ことを特徴とする加速度センサー。
2. 【請求項２】 前記加速度の検出質量である磁石の変位
   を打ち消す磁場を発生するためのコイルを有することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のサーボ型加速度
   センサー。