JPH0789125B2 - ２次元加速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、２次元平面で多数軸の加速度を検出する２次
元加速度センサに関し、例えば車両の前後、左右の２軸
方向の加速度を検出する２次元加速度センサとして用い
て有効である。

〔従来の技術〕

従来から、多数軸の加速度を単一のセンサで検出するも
のとしては、例えば特開昭62−163972号等が提案されて
いる。これは２つの同心球殻間に磁性流体も封入し、内
球を外球内に遊動的に保持し、加速度に応じて移動する
内球の位置を検出するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、従来のセンサは、内球を遊動的に保持するた
めの手段として、一軸あたり１対の電磁石が必要であ
り、内球位置の検出のために、接触型のポテンショメー
タを用いる必要がある。従って、構造が複雑で耐久性等
に問題がある。

そこで本発明は、簡単な構成で、かつ機械的な接触・摺
動部なしに二次元平面内での多数軸の加速度を検出でき
る２次元加速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〕

本発明は、上記目的を達成するために、空間を内側に形
成した非磁性部材からなるハウジングと、前記空間内に
封入された磁性流体と、前記空間内に前記磁性流体と共
に封入され、一対の平面部と周面部とを有し、該周面部
に多数の磁極を形成した円筒形状をなす永久磁石と、前
記ハウジングの空間内にて、前記永久磁石の前記周面部
から前記永久磁石の半径方向に所定距離を隔てるととも
に、前記各磁極に対向して設けられ、加速度が発生した
時に前記永久磁石の前記平面方向への移動にともなって
発生する前記磁性流体の磁気粘弾性力により求心復元力
を生じさせる壁面からなる復帰力発生部材と、前記ハウ
ジングの空間内にて、前記永久磁石と前記復帰力発生部
材との間の前記所定距離よりも小さい距離を前記永久磁
石の前記周面部から隔てるとともに、前記永久磁石の各
磁極間に対向して設けられ、前記永久磁石の中心軸周り
の回転を防止する壁面からなる回転防止部材と、前記ハ
ウジングの空間内での、前記永久磁石の前記復帰力発生
部材方向への前記移動を検出するために、前記永久磁石
の磁極に近接して設けられた磁気検出手段と、前記磁気
検出手段からの信号に基づいて、前記永久磁石に作用す
る加速度を求める加速度算出手段と、を備えることを特
徴とする。

〔作用〕

上記構成によれば、永久磁石は、受ける加速度と、復帰
力発生部材と永久磁石の磁極との間の磁性流体により発
生する磁気粘弾性力と、が釣り合う位置まで移動する。
この移動による変位は、永久磁石の磁極方向に沿う多数
軸方向にでき、この変位は磁気検出手段により検出され
る。また、加速度算出手段は、この検出信号に基づいて
加速度を算出する。

ここで、回転防止部材は、永久磁石と復帰力発生部材と
の間の所定距離よりも小さい距離を永久磁石の周面部か
ら隔てて、永久磁石の各磁極間に対向して設けられてい
るので、磁極付近の磁性流体の高い密度部分と回転防止
部材との間に、永久磁石の回転運動を抑制する磁気粘弾
性力が働く。これにより、永久磁石の回転が防止される
ため、回転に伴う磁極の変位による影響を受けずに、加
速度による永久磁石の変位のみを確実に検出することが
できる。

〔発明の効果〕

以上述べた様に、本発明は磁性流体と永久磁石による簡
単な構成で、しかも機械的な接触、あるいは摺動部分が
ないため、良好な耐久性を確保することができる。しか
も、永久磁石の回転を防止できるため、回転に伴う影響
を受けずに、多数軸方向の加速度を、確実に検出するこ
とができる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１実施例を図面に基づいて説明する。
第１図は第１実施例の横断面図で、第２図のＡ−Ａ線に
沿う断面図、第２図は第１実施例の縦断面図である。

１はアルミニウム製のメインハウジングであり、対向す
る少なくとも２組の窪み2aと2c,2bと2dを有し、片端面
が開放された略円筒空間２を内側に形成している。３は
アルミニウム製のサブハウジングであり、前記円筒空間
２の開放端面を閉鎖すべく前記メインハウジング１にス
クリュー11a,11bにより固定されている。スクリュー11
a,11bは非磁性体でできている。

サブハウジング３には前記円筒空間２と外部空間とを連
通させるべく小穴７が前記円筒空間２の円筒軸と同心に
形成されている。４は磁性流体であり、例えばイソパラ
フィン中にマンガン亜鉛フェライト等の超微粒子を分散
させたもので、永久磁石５と共に前記円筒空間２に封入
されている。

５は径方向着磁されたディスク状永久磁石で、その磁極
数は前記円筒空間２の窪み（2a〜2d）の数と等しく、そ
の厚みは前記円筒空間２の深さよりわずかに短い。この
窪み2a〜2dは、２つの側面部から成り、１つは永久磁石
５の各磁極（N,S）の法線方向に所定距離を隔てて各々
対向して設けられる復帰力発生部2b−１で、永久磁石５
の磁極付近では、磁性媒体４のみかけ密度が大きいた
め、復帰力発生部と永久磁石の各磁極との間に磁気粘弾
性力が働く。この磁気粘弾性力と永久磁石５が受ける加
速度が釣り合う位置まで、永久磁石５は各磁極の多数軸
方向に移動し、静止する。また、窪みには、永久磁石５
の各磁極（N,S）中間部分の法線方向に対向し、前記復
帰力発生部と永久磁石の磁極との距離よりも、小さい距
離を隔てて設けられる回転防止部2b−２がある。これ
は、後述する様に、永久磁石５の回転運動を防止する作
用を行う。

磁性流体４は前記サブハウジング３の小穴７より注入さ
れ、ゴム製プラグ８でシールされたのち、キャップ９で
封印固定されている。10はＯリングで、メインハウジン
グ１とサブハウジング３の間に設けられている。12a〜1
2dはホール素子で、前記メインハウジング１の窪み2a〜
2dと一定間隔を保って対向するように、前記メインハウ
ジング１の外側に設けられた凹部13a〜13dに接着固定さ
れている。

14はガラスエポキシ製のプリントプレートであり、非磁
性スクリュー15によりメインハウジング１に固定され、
前記ホール素子12a〜12dの各端子がハンダ付けされてい
る。16は処理回路部であり、プリントプレート14上に形
成されている。

17は鉄製シールドカバーで、図示されていないスクリュ
ー22a,22bによりメインハウジング１に固定されてい
る。18はシールドプレートで、スクリュー19a〜19cによ
りシールドカバー17に固定されている。シールドカバー
17とシールドプレート18とにより本センサの外形が構成
されている。

20はゴム製グロメットで、前記シールドカバー17の側面
に設けた穴23に固定され、前記処理回路16からのリード
線束21が、このグロメット20を介して外側へ導出されて
いる。

第３図に回路系のブロック図を示す。

処理回路16より外部へ取り出されるリード線束21は、処
理回路16の端子37,38,39,40と接続されている。39は電
源に、40はアースに接続されている。ホール素子12a〜1
2dは各々電源39、アース40に接続されている。31〜36は
各々差動増幅器である。

ホール素子12aの２つの出力端子は差動増幅器31の入力
端子に接続されている。ホール素子12cの２つの出力端
子は差動増幅器32の入力端子に接続されている。差動増
幅器31,32の出力端子は差動増幅器35の入力端子と接続
され、差動増幅器35の出力端子は処理回路16の端子37に
接続されている。

同様に、ホール素子12bの２つの出力端子は差動増幅器3
3の入力端子に接続され、ホール素子12dの２つの出力端
子は差動増幅器34の入力端子に接続され、差動増幅器3
3,34の出力端子は差動増幅器36の入力端子に接続され、
差動増幅器36の出力端子は処理回路16の端子38に接続さ
れている。

100は外部演算回路で、２乗平均回路103と演算回路104
とから構成される。外部演算回路100は、公知で、例え
ばバー・ブラウン社のマルチファンクション・コンバー
タ（モデル4302）のベクトル関数、除算機能を用いれば
よい。外部演算回路100の入力端子101,102は処理回路16
の出力端子37,38とリード線束21を介して接続される。
入力端子101と102は２乗平均回路103と演算回路104に共
に接続されている。２乗平均回路103の出力端子は外部
演算回路100の出力端子105に、割算回路104の出力端子
は外部演算回路100の出力端子106に接続されている。

次に、上記構成に基づいて、その作動を説明する。

本装置は、磁性流体４中に置かれた永久磁石５が磁性流
体４をひきつけ、磁性流体４のみかけ密度が磁場勾配に
比例することにより起因する磁気粘弾性により、永久磁
石５と磁性流体４を収納するハウジング（1,3）との間
に働く位置調整現象を利用して、加速度に応じた永久磁
石５の二次元変位を実現し、その変位を検出することに
より、安定した二次元加速度検出を行うものである。

径方向に多極着磁された永久磁石５は、磁性流体４中で
浮揚する。これは磁場勾配が大きい所、即ち磁極に近い
程、磁性流体４のみかけ密度が大きくなるためである。
この時、ディスク状永久磁石５の平面方向に加速度が
加わると、永久磁石５には慣性力が働き、メインハウジ
ング１内で移動しようとする。永久磁石５の移動に伴い
メインハウジング１の円筒空間２の外周壁近傍における
磁性流体４のみかけ密度は、永久磁石５の磁極に近い位
置で大きく、遠い位置で小さくなり、永久磁石５には磁
気粘弾性的復元力が働く。この復元力と前記慣性力との
平衡点で永久磁石５は静止する。従って、永久磁石５
の、円筒空間２内における位置を検出すれば、加速度
に対応した信号が得られる。磁石５の位置検出にはホー
ル素子12a〜12dを用いる。

しかしながら、磁石５が回転すると、その影響を受けて
しまい、加速度信号と分離できない。この永久磁石５の
回転を防ぐために、円筒空間２に窪み2a〜2dが設けてあ
る。これは前記磁気粘弾性を回転方向でも利用するため
である。永久磁石５による磁界は、磁石側面に於いて各
磁極付近を中心とする円筒状分布をする。そこで、磁極
法線方向への窪み2a〜2dを設け、磁極中間の法線方向は
比較的小ギャップとなるように円筒空間２を形成するこ
とによって、磁石５が回転しようとしたとき、磁極付近
の磁性流体４の高いみかけ密度部分と窪み2a〜2dの側面
部（2b−２）との間に働く磁気粘弾性力が、永久磁石５
への復帰トルクとなって働くのである。このため、永久
磁石５は円筒空間２内で回転運動を阻止され、水平面内
で窪み方向への直線運動のみ許容される。

又、円柱磁石５は円筒空間２内における円柱軸方向に対
して動きにくくしてある。これは、水平方向の加速度の
みに感度を持たせるためである。この実現には、円柱磁
石５の両底面と円筒空間２の両底面とのなす距離を、円
柱磁石５の外周面と円筒空間２の窪み2a〜2dの内側面と
のなす距離に比して、十分小さく設定することによりな
される。これは、前述の磁極付近の磁界分布が、磁石側
面のみならず底面方向にも空間分布していることを利用
している。つまり、円柱磁石５の両底面と円筒空間２の
両底面とのなす距離を充分小さくすることによって、磁
極付近の磁性流体４の高いみかけ密度部が磁石とハウジ
ング間の軸方向ギャップ部に充満し、軸方向加速度に対
する永久磁石５の移動を抑制せしめるのである。

以上の様に、円筒空間２内に封入された多極磁石５と磁
性流体４という構成において、磁石磁極と同数の窪みを
該内筒空間２に前記磁極に対向させて設け、かつ、永久
磁石５の非磁極面方向の円筒空間長さを永久磁石５の長
さよりわずかに長い程度に設定することにより、下記の
３つの効果が得られる。

（１）永久磁石５は円筒空間２内で磁性流体４中に安定
浮揚する。

（２）永久磁石５は、磁気粘弾性による求心復元力を受
ける。

（３）永久磁石５は回転しない。

従って、水平面内加速度に対して永久磁石の位置、さら
に言えば各磁極の位置は一義的に定まる。そこで、ホー
ル素子の様な磁界検出手段を用いて磁極位置を検出すれ
ば加わっている加速度がわかる。

具体的な例を第１図及び第３図を用いて説明する。第１
図（ｂ）に於いて、ｘ軸を窪み2a−2c方向に、ｙ軸を窪
み2b−2d方向にとる。ｘ軸方向の永久磁石５の磁極は共
にＳ極、ｙ軸方向はＮ極となる４極磁石の場合が図示し
てある。本装置に、第１図（ｂ）の如く が加わるとメインハウジング１に対して永久磁石５には
相対的に加速度が加わる。加速度は加速度と大き
さが同じで反対方向に向かうベクトルである。磁石５の
重量をｍとすると、磁石５に働く慣性力F₁は_１＝k₁・
ｍ・と表すことができる。ここで、k₁は種々のその条
件によって決まる定数である。又、磁気弾性力_２は慣
性力_１と逆向きで同じ大きさとなる。

ここで、円筒空間２の水平断面において、その中心を原
点にとり、磁気弾性力_２と慣性力_１とが平衡してい
る時の磁石５の中心位置をＰ（x,y）とすると、磁石５
の移動量が小さい場合、 という関係が成立する。ここで、k₂は定数である。従っ
て、｜₁|＝｜₂|とおくことで、 となる。

とおけば、（x,y）＝（ｋ・｜｜・cosθ,k・｜｜・
sinθ）となり、磁石位置（x,y）を知れば加わっている
加速度が判る。

そこで、第１図（ａ）に示す様にホール素子12a〜12dを
磁極に対向させて配置する。ホール素子12a,12cは磁極
５のＳ極と対向し、各々、Ｓ極が近づく時に正の出力が
大きくなるように配置されている。又、ホール素子12b,
12dは磁石５のＮ極と対向し、各々、Ｎ極が近づく時に
正の出力が大きくなるように配置されている。従って、
例えば第１図（ａ），（ｂ）で磁石５がｘ軸方向へ水平
に動くとホール素子12aと磁極Ｓが近づき、ホール素子1
2aの出力は大となる。同時に、ホール素子12cの出力は
小となる。ホール素子出力電圧は、ホール素子・磁極間
距離の２乗に略反比例した出力となる。

よって、ホール素子12aと12cとの差動出力をとれば、磁
石移動量が小さい場合には、磁石位置のｘ方向成分に略
比例した出力電圧を得ることができる。又、同様にして
ホール素子12b,12dの差動出力をとれば、磁石位置のｙ
方向成分に略比例した出力電圧を得ることができる。こ
の様にして得られた、ホール素子12a,12cの差動出力電
圧Vxとホール素子12b,12dの差動出力Vyとは、各々永久
磁石５の中心位置（x,y）に対応した値となる。又、差
動出力をとることにより、高ゲインと良好な直線性およ
び温度補償が行える。

そこで、第３図の様に外部処理回路100により、上記差
動電圧Vx,Vyをもとに、 とVy/Vxとを演算すれば、前者が加速度の大きさ｜
｜を、後者が加速度の方向tanθを表すことになる。

なお、第３図の処理回路16について簡単に触れておく。
ホール素子12a〜12dは、端子39を介して安定化電源に結
合されている。ホール素子12aの出力は、差動増幅器31
を介して得られ、同様に、ホール素子12b〜12dの出力は
差動増幅器32〜34を介して得られる。そして、差動増幅
器31と32の出力の差動出力が差動増幅器35を介して得ら
れ、端子37に接続される。又、差動増幅器33,34の出力
の差動出力が差動増幅器36を介して得られ、端子38に接
続される。従って、端子37より前記出力電圧Vxが、端子
38より前記出力電圧Vyが得られるという構成になってい
る。

円筒空間２内に封入される磁性流体４の量、即ち、円筒
空間２の容積より永久磁石１の容積をさし引いた容積
は、自由状態で永久磁石１が保持しうる磁性流体の総量
と等しくなることが好ましい。ここで、自由状態で永久
磁石１が保持しうる磁性流体総量とは、常温常圧下で磁
性流体中に永久磁石１を挿入し、引き上げた時に永久磁
石１に付着している磁性流体の総量をいう。この量より
も大きくなるように容積決定すれば、加速度に対する永
久磁石移動量に不感帯を生ずる。小さく設定すれば加速
度に対する移動量が減り、感度が低下するからである。

第４図に、印加加速度の大きさに対するホール素子12a,
12cの差動出力Vxを、第５図に同じくホール素子12b,12c
の差動出力Vyを示す。パラメータのθは第１図に示す加
速度の角度である。Vxは加速度に対して｜｜・cos
θ,Vyは｜｜・sinθを示し、実線は加速度センサから
得られる実測値を示す。

次に、第２実施例の構成を簡単に説明する。前記第１実
施例と同様の構成又は同様の機能をもつ部分について
は、同一符号を付して説明は省略する。

第１実施例は、復帰力発生部と回転防止部とを有する窪
み（2a〜2d）を用いたが、第２実施例においては、各部
を２つの部分に分離して、構造を容易にした。

まず、永久磁石５の各磁極（S,N,S,N）の法線方向に対
向して、復帰力発生壁1a〜1dが設けられ、この復帰力発
生壁1a〜1dは、メインハウジング１と一体に形成されて
いる。また、復帰力発生壁1a〜1d内には、各々ホール素
子12a〜12dが収納可能な空間が形成されている。また、
永久磁石５の各磁極の中間部の法線方向には、回転防止
壁3a〜3dが設けられ、回転防止壁3a〜3dはサブハウジン
グ３と一体に形成されている。回転防止壁3a〜3dは、永
久磁石５の回転を防止するために、永久磁石５に対して
法線方向の成分をもつ壁面が有効である。

この復帰力発生壁1a〜1dと回転防止壁3a〜3d、及び永久
磁石５の周囲の磁性流体４の磁気粘弾性力により、永久
磁石５は、第６図中の上下、左右の２軸方向へ移動可能
で、しかも、永久磁石５自体の回転は、回転防止壁3a〜
3dにより防止されるので、第２実施例においても、ホー
ル素子12a〜12dは永久磁石５の回転に伴う出力変化の影
響を受けずに、加速度による永久磁石５の変位のみを確
実に検出できる。

上述の実施例において、永久磁石の磁極数及び円筒空間
の窪み数は４個（対向する２組）として示したが、２組
以上であれば、何組でもかまわない。

又、磁石位置検出手段としてホール素子を例にあげた
が、磁気抵抗素子やコイルのような他の磁気検出手段で
もよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す横断面図、第２図は
第１実施例の縦断面図、第３図は実施例の電気回路を示
す回路図、第４図、第５図は加速度センサの出力特性を
示す特性図、第６図は第２実施例を示す横断面図、第７
図は第２実施例を示す縦断面図である。 １……メインハウジング,2……空間,2a〜2d……窪み,3
……サブハウジング,4……磁性流体,5……永久磁石,12a
〜12d……ホール素子,1a〜1d……復帰力発生壁,3a〜3d
……回転防止壁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 稔久 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 杉谷 達夫 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 井上 秀雄 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−163972（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−153474（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−143781（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空間を内側に形成した非磁性部材からなる
   ハウジングと、 前記空間内に封入された磁性流体と、 前記空間内に前記磁性流体と共に封入され、一対の平面
   部と周面部とを有し、該周面部に多数の磁極を形成した
   円筒形状をなす永久磁石と、 前記ハウジングの空間内にて、前記永久磁石の前記周面
   部から前記永久磁石の半径方向に所定距離を隔てるとと
   もに、前記各磁極に対向して設けられ、加速度が発生し
   た時に前記永久磁石の前記平面方向への移動にともなっ
   て発生する前記磁性流体の磁気粘弾性力により求心復元
   力を生じさせる壁面からなる復帰力発生部材と、 前記ハウジングの空間内にて、前記永久磁石と前記復帰
   力発生部材との間の前記所定距離よりも小さい距離を前
   記永久磁石の前記周面部から隔てるとともに、前記永久
   磁石の各磁極間に対向して設けられ、前記永久磁石の中
   心軸周りの回転を防止する壁面からなる回転防止部材
   と、 前記ハウジングの空間内での、前記永久磁石の前記復帰
   力発生部材方向への前記移動を検出するために、前記永
   久磁石の磁極に近接して設けられた磁気検出手段と、 前記磁気検出手段からの信号に基づいて、前記永久磁石
   に作用する加速度を求める加速度算出手段と、 を備える２次元加速度センサ。