JPH0829444A - 衝撃センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 顧客の要求に合う動作加速度を低コストにて
容易に実現し得る衝撃センサを提供する。 【構成】 ケース１１内に固定されたセンサ部１２をＭ
Ｒ素子によって構成するとともに、このセンサ部１２に
対して所定の距離をもって配されたマグネット１４を弾
性支持棒１５によって少なくとも２方向において移動可
能に支持し、センサ部１２の出力電圧を出力回路部１３
にて処理することによって衝撃の状況を示す情報として
出力端子１１を介して外部へ導出する。そして、出力回
路部１３の回路特性を変更する回路素子として抵抗Ｒ７
を外付けとし、この外付け抵抗Ｒ７を変えて出力回路部
１３の回路特性を変更することによって動作加速度を設
定する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、衝撃センサに関し、特
に自動車のエアバッグシステム等におけるセーフィング
センサとして用いて好適な衝撃センサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】自動車のエアバッグシステムにおいて
は、自動車の衝突時に加わる衝撃を感知する衝撃センサ
をセーフィングセンサとして用い、この衝撃センサの感
知出力によってエアバッグの作動装置を起動させてエア
バッグを膨らませることにより、その衝撃からドライバ
を保護する構成となっている。この衝撃センサとして
は、従来、リードスイッチ型衝撃センサが用いられてい
た。

【０００３】リードスイッチ型衝撃センサの従来例を図
１２に示す。同図において、ケース１０１内にリードス
イッチ１０２が収納され、その一端側にはリング状のマ
グネット１０３がリードスイッチ１０２の周壁に沿って
移動可能に配置されている。このマグネット１０３は、
コイルスプリング１０４によって図の矢印方向に付勢さ
れている。

【０００４】上記構成のリードスイッチ型衝撃センサに
おいて、定常状態では、図１２に示すようにマグネット
１０３がリードスイッチ１０２の動作領域（以下、リー
ドスイッチ動作領域と称する）外にあるために、リード
スイッチ１０２の接点が開離し、オフ状態にある。この
状態において、図の矢印方向から衝撃が加わり、そのと
きマグネット１０３の重量に加わる加速度がコイルスプ
リング１０４の弾性力を上まわると、マグネット１０３
がコイルスプリング１０４の弾性力に抗してリードスイ
ッチ動作領域まで移動する。すると、リードスイッチ１
０２の接点が閉成し、オン状態となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のリードスイッチ型衝撃センサでは、その出力方
式が接点出力方式であることから、顧客の要求に合う加
速度で動作するセンサを提供するためには、 マグネット１０３の重量、寸法或いは磁束密度 コイルスプリング１０４の直径、ばね定数或いは自由
高さ リードスイッチ１０２の感動値或いは開放値 ケース１０１の寸法 の４項目を各々変更する必要があった。

【０００６】それに伴い、部材設計変更、部材購
入、部材変更による工程変更によってコストが高くな
るという問題があった。また、図１２の矢印方向からの
衝撃に対してマグネット１０３がリードスイッチ動作領
域まで移動し、リードスイッチ１０２をオンさせる構成
であるため、一方向からの衝撃に対してしか感知できな
いという問題もあった。

【０００７】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、顧客の要求に合う動
作加速度を低コストにて容易に実現し得る衝撃センサを
提供することにある。本発明はさらに、２方向若しくは
あらゆる方向からの衝撃を感知し得る衝撃センサを提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による衝撃センサ
は、磁気抵抗素子によって構成されかつケース内に固定
されたセンサ部と、ケース内に移動可能に設けられたマ
グネットと、このマグネットをセンサ部に対して所定の
距離をもって弾性的に支持した支持部材と、磁気抵抗素
子の出力に対して所定の処理を施してケース外に導出す
る出力回路部とを備えた構成となっている。また、マグ
ネットは支持部材によって少なくとも２方向において移
動可能に支持される一方、センサ部がマグネットの移動
方向に対応して配置された少なくとも２組の磁気抵抗素
子パターンによって構成されている。

【０００９】

【作用】上記構成の衝撃センサにおいて、当該センサに
衝撃が加わり、マグネットの重量に加わる加速度がマグ
ネットを支持している支持部材の弾性力に打ち勝つと、
この弾性力に抗してマグネットが移動する。すると、セ
ンサ部とマグネットとの間の距離が変化し、これに伴っ
てセンサ部内の磁気抵抗素子に印加される磁界強度が変
化する。このとき、磁気抵抗素子では、磁界強度の変化
に応じて抵抗値が変化し、これに伴って出力電圧が変化
する。したがって、この出力電圧を監視することで、衝
撃が加わったことを感知できる。また、出力回路部の回
路特性を変えることで、動作加速度が変わる。

【００１０】また、支持部材が少なくとも２方向におい
てマグネットを移動可能に支持していることで、その方
向から衝撃が加わると、この衝撃に応じてマグネットが
支持部材の弾性力に抗して移動する。すると、その方向
に対応して配置された磁気抵抗素子に対する磁界強度が
変化する。したがって、センサ部の出力電圧が衝撃の方
向に対応して変化するので、その出力電圧を監視するこ
とで、衝撃が加わったことに加え、その方向をも感知で
きる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は、本発明の第１実施例を示す概略構
成図である。図１において、ケース１１内には、磁気に
よってその抵抗値が変化するいわゆる磁気抵抗効果(mag
netresistance effect)を持つ磁気抵抗素子によって構
成されたセンサ部１１及びその出力に対して所定の処理
を施す出力回路部１３が配されている。

【００１２】磁気抵抗素子には、Ｉｎ，Ｓｂなどを感磁
性材料に使用した半導体磁気抵抗素子と、Ｎｉ，Ｆｅ，
Ｃｏなどを感磁性材料に使用した強磁性体磁気抵抗素子
（以下、ＭＲ素子と称する）がある。半導体磁気抵抗素
子が感磁面に垂直な平面内での磁場成分を感知するのに
対し、ＭＲ素子は感磁面に平行な平面内での磁場成分を
感知する。この２タイプの磁気抵抗素子のうち、ＭＲ素
子の方が、半導体磁気抵抗素子よりも微弱な外部磁界の
有無を検出するのに適している。

【００１３】そこで、本実施例では、センサ部１１を構
成する磁気抵抗素子としてＭＲ素子を用いるものとす
る。ただし、ＭＲ素子の使用に限定されるものではな
い。ＭＲ素子においては、図２に示す如き強磁性金属を
主成分とする合金の薄膜からなる抵抗パターンが、外部
磁界によってある方向に磁化されることにより、その抵
抗率が変化する。すなわち、外部磁界により抵抗パター
ンが磁化され、図３において、その磁界Ｈの方向が抵抗
パターンに流れる電流Ｊとなす角θにより変化すると
き、この角度θに応じて抵抗値が図４に示すように正弦
波状に変化する。

【００１４】再び図１において、ケース１１内にはさら
に、図の左右方向に着磁されたマグネット１４が収納さ
れている。このマグネット１４は、基端部１５ａがケー
ス１１に固定されたいわゆる片持ち梁である支持部材、
例えば弾性を持つ支持棒（以下、弾性支持棒と称する）
１５の自由端１５ｂに、センサ部１２との間に所定の距
離を持って取り付けられている。この弾性支持棒１５
は、その弾性によってマグネット１４を少なくとも２方
向、例えば図のａ，ｂ方向において移動可能に支持して
いる。なお、本実施例のように、マグネット１４の移動
方向が互いに逆方向の２方向に限定される場合には、支
持部材として弾性支持棒１５の代わりに板バネを用いる
ことも可能である。

【００１５】ケース１１の外部には、出力回路部１３に
対して電源電圧を与える電源端子１６、出力回路部１３
から出力電圧を導出する出力端子１７、出力回路部１３
に対して接地（グランド）レベルを与えるグランド端子
１８がそれぞれ設けられている。さらに、出力回路部１
３の回路の途中に接続された外付け用端子１９，２０が
設けられており、この外付け用端子１９，２０には後述
する外付け抵抗Ｒ７が接続されている。

【００１６】図５に、図１の破線で囲んだ部分、即ちセ
ンサ部１２及び出力回路部１３の具体的な回路例を示
す。図中、図１と同等部分には同一符号を付して示して
ある。本実施例におけるセンサ部１２は、互いに逆方向
の２方向からの衝撃を感知するために、例えば４個のＭ
Ｒ素子２１〜２４によって構成されている。この４個の
ＭＲ素子２１〜２４を等間隔で配列することで、２相の
出力を導出できることが知られている。

【００１７】すなわち、等間隔で配列された４個のＭＲ
素子２１〜２４のうち、ＭＲ素子２１とＭＲ素子２２
と、ＭＲ素子２３とＭＲ素子２４とをそれぞれ対にして
直列に接続し、これら直列接続回路を電源端子１６とグ
ランド端子１８との間にそれぞれ並列に接続すること
で、ＭＲ素子２１，２２の共通接続点とＭＲ素子２
３，２４の共通接続点とから２相の出力を導出できる
のである。

【００１８】ＭＲ素子２１，２２の共通接続点は抵抗
Ｒ１を介して演算増幅器ＯＰ１の非反転（＋）入力端に
配線され、ＭＲ素子２３，２４の共通接続点は抵抗Ｒ
２を介して演算増幅器ＯＰ１の反転（−）入力端に配線
されている。演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端は抵抗Ｒ
３を介してグランド端子１８に配線され、反転入力端と
出力端との間には抵抗Ｒ４が接続されている。この抵抗
Ｒ１〜Ｒ４及び演算増幅器ＯＰ１により、抵抗Ｒ１，Ｒ
２を介して入力される２つの電圧を差動増幅する差動増
幅器２５が構成されている。

【００１９】演算増幅器ＯＰ１の出力端は、逆方向接続
のダイオードＤを介して演算増幅器ＯＰ２の反転入力端
に配線されている。演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端は
グランド端子１８に配線され、反転入力端と出力端との
間には抵抗Ｒ５が接続されている。このダイオードＤ、
抵抗Ｒ５及び演算増幅器ＯＰ２により、差動増幅器２５
の出力電圧を逆対数増幅する逆対数増幅器（指数増幅
器）２６が構成されている。

【００２０】演算増幅器ＯＰ２の出力端は、出力端子２
７に配線されるとともに、演算増幅器ＯＰ３の反転入力
端に配線されている。演算増幅器ＯＰ３の非反転入力端
は、抵抗Ｒ６を介して電源端子１６に配線されるととも
に、一方の外付け端子１９に配線されている。また、他
方の外付け端子２０はグランド端子１８に配線されてい
る。そして、この２つの外付け端子１９，２０間には外
付け抵抗Ｒ７が接続されている。

【００２１】すなわち、外付け抵抗Ｒ７は、電源端子１
６とグランド端子１８との間に抵抗Ｒ６とともに直列に
接続されて抵抗分圧回路を構成している。そして、その
共通接続点である分圧点が演算増幅器ＯＰ３の非反転
入力端に配線されている。これにより、演算増幅器ＯＰ
３は、分圧抵抗Ｒ６，Ｒ７によって得られる分圧点の
電圧を比較基準電圧Ｖref として逆対数増幅器２６の出
力電圧を比較増幅する比較増幅器２８を構成している。

【００２２】次に、上記構成の第１実施例に係る衝撃セ
ンサの動作について説明する。図１において、ａ又はｂ
方向から衝撃が加わり、マグネット１４の重量に加わる
加速度がマグネット１４を支持している弾性支持棒１５
の弾性力に打ち勝つと、片持ち梁である弾性支持棒１５
を軸にしてマグネット１４が移動する。すると、センサ
部１２とマグネット１４との間の距離が変化する。図６
に、一般的なサーマルコバルト磁石（３×３×４ｍｍ）
からの距離と磁束密度の関係を示す。

【００２３】センサ部１２とマグネット１４との間の距
離が変化すると、センサ部１２内のＭＲ素子２１〜２４
に印加される磁界強度が変化する。ここで、ＭＲ素子２
１〜２４のうち、パターニング方向が磁界方向に平行な
ものでは抵抗値が最大、又パターニング方向が磁界方向
に垂直なものでは抵抗値が最小を示す。このような抵抗
値変化に応じて、接続点，の各電圧が変化する。こ
の２つの電圧は差動増幅器２５で差動増幅される。

【００２４】この差動増幅器２５において、抵抗Ｒ２，
Ｒ４が反転出力、抵抗Ｒ１〜Ｒ４が非反転出力に関する
抵抗であり、この２つの出力電圧を合成したものが差動
増幅器２５の出力電圧として導出される。この出力電圧
の外部磁界に対する関係を図７に、加速度に対する関係
を図８にそれぞれ示す。差動増幅器２５の出力電圧は、
逆対数増幅器２６で逆対数増幅されて比較増幅器２８に
供給される。この逆対数増幅器２６の出力電圧は、図９
に示すように、加速度に対してリニアな関係を示し、出
力端子２７を介して外部へも導出されるようになってい
る。

【００２５】逆対数増幅器２６の出力電圧は、比較増幅
器２８において分圧抵抗Ｒ６，Ｒ７によって与えられる
比較基準電圧Ｖref と比較される。比較増幅器２８は、
逆対数増幅器２６の出力電圧が比較基準電圧Ｖref 以下
のとき高レベルの出力電圧を発生し、比較基準電圧Ｖre
f を越えるとき負の出力電圧を発生する。この出力電圧
は、衝撃の状況（衝撃が加わったこと及びその方向）を
示す情報として出力端子１７から外部に導出される。

【００２６】以下、具体例をもって説明すると、図１に
おいて、マグネット１４をセンサ部１２に対して図９の
特性がＡ点を示す離間距離をもって設置する。この状態
において、図１のａ方向の衝撃が加わり、マグネット１
４がセンサ部１２に接近すると、図９の特性図で加速度
が直線に沿ってＡ点より増大し、出力電圧が増幅され
る。一方、図１のｂ方向から衝撃が加わり、マグネット
１４がセンサ部１２から離れると、加速度、出力電圧共
に減少する。したがって、出力端子１７から導出される
出力電圧の増加／減少を見ることにより、互いに逆方向
の２方向（ａ，ｂ方向）からの衝撃を感知できる。

【００２７】上述したように、センサ部１２をＭＲ素子
によって構成し、その出力電圧を出力回路部１３にて処
理することによって衝撃の状況を示す情報として出力端
子１７から外部へ導出するようにしたことにより、マグ
ネット１４の重量、寸法或いは磁束密度などを変更しな
くても、出力回路部１３の回路特性を調整するための回
路素子、本実施例の場合には比較増幅器２８の比較基準
電圧Ｖref を設定する外付け抵抗Ｒ７を変えるのみで顧
客の要求に合う加速度で動作する衝撃センサを提供でき
ることになる。なお、本実施例では、外付け抵抗Ｒ７を
固定抵抗とした場合について説明したが、外付け抵抗Ｒ
７を可変抵抗とし、その抵抗値を調整するようにしても
良く、これによれば顧客の要求に合う動作加速度をより
容易に設定できる。

【００２８】また、本実施例では、マグネット１４に対
してその一方側にのみセンサ部１２を配置するととも
に、そのセンサ部１２において４個のＭＲ素子２１〜２
４を用いて２相の出力を導出し、この２相の出力に基づ
いて互いに逆方向（図１のａ，ｂ方向）の２方向からの
衝撃を感知する構成としたが、例えば単一のＭＲ素子を
用いて構成されたセンサ部１２をマグネット１４に対し
てその両側に配置し、各センサ部１２の出力に基づいて
２方向の衝撃を独立に感知するように構成しても良いこ
とは勿論である。

【００２９】ただし、本実施例のように、４個のＭＲ素
子２１〜２４を用いて２相の出力を導出し、この２相の
出力を差動増幅器２５にて差動増幅する構成を採ること
により、マグネット１４の移動による磁界変化に伴うセ
ンサ部１２の出力電圧が微小であっても、その変化分を
大きな出力電圧（差動出力電圧）としてとらえることが
できるので、２方向からの衝撃をより確実に感知できる
ことになる。また、逆対数増幅器２６を設けて差動増幅
器２５の出力電圧を加速度に対してリニアな特性のもの
に変換する構成を採ったことにより、顧客の要求に合う
ように動作加速度を変更する場合に、比較増幅器２８に
おける比較基準電圧Ｖref の設定が容易になる。

【００３０】なお、上記第１実施例では、マグネット１
４を弾性的に支持する支持部材として弾性支持棒１５を
用いるとしたが、図１０に変形例を示すように、弾性支
持棒１５に代えてコイルスプリング３１，３２を用いる
ことも可能である。すなわち、図１０において、マグネ
ット１４がセンサ部１２との間に所定の距離を持つよう
に、マグネット１４の一端をコイルスプリング３１によ
ってケース１１の一方の内壁１１ａに対して支持する一
方、マグネット１４の他端をコイルスプリング３２によ
ってケース１１の他方の内壁１１ｂに対して支持した構
成とする。それ以外の構成は、基本的に図１の構成と同
じであり、同等部分には同一符号が付されている。

【００３１】この変形例に係る衝撃センサにおいて、図
１０のｃ方向の衝撃が加わり、マグネット１４の重量に
加わる加速度がコイルスプリング３１，３２の弾性力に
打ち勝つと、コイルスプリング３１，３２がｃ方向へ変
位し、センサ部１２のＭＲ素子にかかる磁界強度が変化
する。これにより、第１実施例の場合と同様の原理によ
って、ｃ方向からの衝撃が感知される。ｄ方向から衝撃
が加わった場合にも、同様のことが言える。なお、この
変形例では、コイルスプリング３１，３２によってマグ
ネット１４の両側を支持するとしたが、マグネット１４
の重量やコイルスプリングのばね定数などを考慮した
上、マグネット１４の片側のみで支持しても動作上支障
がない場合には、必ずしもマグネット１４の両側を支持
する必要はない。

【００３２】図１１は、本発明の第２実施例の要部を示
す概略平面図である。本実施例においては、周方向に一
定ピッチで例えば８極分着磁された円板状のマグネット
４１を用いるとともに、このマグネット４１を弾性的に
支持する支持部材として断面円形の弾性支持棒４２を用
いている。弾性支持棒４２が丸棒であることにより、マ
グネット４１は片持ち梁である弾性支持棒４２を軸とし
てあらゆる方向に移動可能となっている。

【００３３】一方、マグネット４１の周りには、マグネ
ット４１の着磁面に対応してその着磁面との間に所定の
距離をもって例えば８個配列されたＭＲ素子４３-1〜４
３-8によって構成されたセンサ部４４が円環状に設けら
れている。このセンサ部４４には、ＭＲ素子４３-1〜４
３-8の各出力を波形整形する波形整形回路４５-1〜４５
-8が内蔵されている。なお、図示しないが、マグネット
４１、弾性支持棒４２及びセンサ部４４は、第１実施例
と同様に、所定のケース内に収納されるものとする。

【００３４】上記構成の第２実施例に係る衝撃センサに
おいては、マグネット４１が弾性支持棒４２によってあ
らゆる方向に移動可能に支持され、マグネット４１の周
りに８個のＭＲ素子４３-1〜４３-8が配されていること
から、８方向からの衝撃を感知できる。すなわち、ある
方向から衝撃が加わり、マグネット４１の重量に加わる
加速度が弾性支持棒４２の弾性力に打ち勝つと、その方
向にマグネット４１が移動し、センサ部４４に及ぼすマ
グネット４１による磁界が変化する。すると、センサ部
４４内の対応するＭＲ素子４３-nの出力電圧が変化し、
波形整形回路４５-nから感知出力が発生される。したが
って、波形整形回路４５-1〜４５-8のうちのどの回路か
ら感知出力が発生するかを監視することで、どの方向か
ら加速度が加わったかを判断できることになる。

【００３５】このように、あらゆる方向からの衝撃を感
知できることにより、本衝撃センサを例えば自動車のエ
アバッグシステムにおけるセーフィングセンサとして用
いた場合に、自動車の前後方向のみならず、あらゆる方
向からの衝撃に対してエアバッグの作動装置を起動させ
ることができるため、エアバッグシステムの安全性をよ
り高めることに寄与できることになる。

【００３６】なお、本実施例では、８方向からの衝撃を
感知する構成とした場合について説明したが、マグネッ
ト４１の周りに配するＭＲ素子の数を変えることで、任
意の方向からの衝撃に対応でき、その数を増やせば増や
すほど感知できる衝撃の方向の分解能を高めることがで
きる。

【００３７】また、図１１においては、ＭＲ素子を１方
向に対して１個配置し、各ＭＲ素子毎に衝撃の方向を感
知する構成としたが、これに限定されるものではなく、
例えば図５に示したように、互いに逆方向の２方向に対
して４個のＭＲ素子を用いて２相の出力を導出するよう
に構成することも可能である。この構成によれば、図１
１の場合にはセンサ部４４が円環状のものになるのに対
し、半円環状のもので済むため、円環状のものよりも小
型化できることになる。

【００３８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、センサ部をＭＲ素子によって構成し、その出力電
圧を出力回路部にて処理することによって衝撃の状況を
示す情報として外部へ導出する構成としたことにより、
マグネットの重量、寸法或いは磁束密度などを変更しな
くても、出力回路部の回路特性を調整するための回路素
子を変えるのみで動作加速度を変更できるので、顧客の
要求に合う加速度で動作する衝撃センサを容易に提供で
きることになる。

【００３９】また、支持部材によってマグネットを少な
くとも２方向において移動可能に支持するとともに、マ
グネットの移動方向に対応してＭＲ素子を配置したこと
により、２方向若しくはあらゆる方向からの衝撃を感知
できるため、例えば自動車のエアバッグシステムにおけ
るセーフィングセンサとして用いた場合の当該システム
の安全性の向上に寄与できることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す概略構成図である。

【図２】ＭＲ素子の一例の抵抗パターン図である。

【図３】ＭＲ素子の原理説明図である。

【図４】外部磁界の角度に対する抵抗変化量を示す波形
図である。

【図５】センサ部及び出力回路部の具体的な回路構成の
一例を示す回路図である。

【図６】マグネットの距離‐磁束密度の特性図である。

【図７】センサ部における外部磁界‐出力電圧の特性図
である。

【図８】差動増幅器における加速度‐出力電圧の特性図
である。

【図９】逆対数増幅器における加速度‐出力電圧の特性
図である。

【図１０】第１実施例の変形例を示す概略構成図であ
る。

【図１１】本発明の第２実施例の要部を示す概略平面図
である。

【図１２】従来例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１２ センサ部 １３ 出力回路部 １４，４１ マグネット １５，４２ 弾性支持体 ２１〜２４ ＭＲ素子（強磁性体磁気抵抗素子） ２５ 差動増幅器 ２６ 逆対数増幅器 ２８ 比較増幅器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気抵抗素子によって構成されかつケー
   ス内に固定されたセンサ部と、 前記ケース内に移動可能に設けられたマグネットと、 前記マグネットを前記センサ部に対して所定の距離をも
   って弾性的に支持した支持部材と、 前記磁気抵抗素子の出力に対して所定の処理を施して前
   記ケース外に導出する出力回路部とを備えたことを特徴
   とする衝撃センサ。
2. 【請求項２】 前記支持部材は前記マグネットを少なく
   とも２方向において移動可能に支持し、 前記センサ部は前記マグネットの移動方向に対応して配
   置された少なくとも２個の磁気抵抗素子によって構成さ
   れたことを特徴とする請求項１記載の衝撃センサ。
3. 【請求項３】 前記支持部材は、その基端部が前記ケー
   スに固定されかつその先端部にて前記マグネットを保持
   した断面円形の弾性支持棒からなり、 前記センサ部は前記弾性支持棒によって支持された前記
   マグネットの周りに配された複数個の磁気抵抗素子によ
   って構成されたことを特徴とする請求項２記載の衝撃セ
   ンサ。
4. 【請求項４】 前記出力回路部は、その回路特性を調整
   するために前記ケース外に配された回路素子を有するこ
   とを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の
   衝撃センサ。