JPH09229961A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ３次元全方向の加速度の大きさを検出し得る
加速度センサでありながら、構造が簡易な加速度センサ
を提供する。 【解決手段】 球形剛体２を備える。さらに、該球形剛
体をその中心を通らない平面で仮想的に切断したときの
仮想断面２ａの外周縁上に位置する少なくとも３個の接
点Ｓ１であって、隣接する接点を結んでできる閉曲線Ｌ
の内側に仮想断面２ａの中心Ｃが存在するように設定さ
れた少なくとも３個の接点Ｓ１と、前記仮想断面の外周
縁上に位置しない少なくとも１個の他の接点Ｓ２とにお
いて、前記球形剛体２を圧接状態に収容支持する剛体収
容部１１ａを備える。球形剛体２とこれに圧接する前記
少なくとも４個の接点のうちのいずれかの接点との間に
圧電素子３が介在配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は加速度センサに関
し、特に地震等のように３次元いずれの方向に振動等に
よる加速度が発生しても、これを検出し得る加速度セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
り、各家庭に設置されているガスメーターとして、地震
等の振動を検知してガスの供給を停止させる安全装置が
取り付けられたものが提供されている。このような安全
装置における感振装置として、従来では、半球状の器に
球体を載置するとともに、球体が振動によって器の内壁
に沿って振り子運動をすることを利用し、球体の振り子
運動の振幅が所定値以上になると接点が入り安全装置を
作動させる構造のものが利用されていた。

【０００３】ところが、安全装置の検出精度の向上や小
形化等の要請により、最近では、振動を加速度として検
出する加速度センサをガスメーター等の安全装置に適用
する試みがなされている。

【０００４】しかしながら、従来の加速度センサは、一
方向のみの加速度の検出しかできなかったため、特に３
次元方向の予期せぬ方向に振動する地震等を検出するに
は、３次元それぞれに対応する３個の加速度センサを用
いて、それぞれの加速度センサから信号を取り出すこと
が必要であった。このため、センサ構造が複雑となり、
部品コストや加工コストが非常に高く付くものであっ
た。

【０００５】この発明は、上記課題に鑑みてなされたも
のであり、３次元全方向の加速度を検出し得るのはもと
より、構造が簡易な加速度センサを提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的において、この
発明に係る加速度センサは、球形剛体と、該球形剛体を
その中心を通らない平面で仮想的に切断したときの仮想
断面の外周縁上に位置する少なくとも３個の接点であっ
て、隣接する接点を結んでできる閉曲線の内側に仮想断
面の中心が存在するように設定された少なくとも３個の
接点と、前記仮想断面の外周縁上に位置しない少なくと
も１個の他の接点とにおいて、前記球形剛体を圧接状態
に収容支持する剛体収容部と、前記球形剛体と、これに
圧接する前記少なくとも４個の接点のうちのいずれかの
接点との間に介在配置された圧電素子とを備えたことを
特徴とするものである。

【０００７】上記の構成によれば、センサに加速度が作
用した場合、球形剛体と、これに接する少なくとも４個
の接点との間に作用する圧力は、加速度の方向に拘らず
常に変化する。そして、いずれかの接点に生じる圧力変
化を、圧電素子により検知することにより、加速度が加
わったことを検出することができる。

【０００８】さらに、剛体は球形であるため、センサの
組み立てに際して、剛体の方向を気にすること無く収容
部内に収容でき、組み立てが容易となり、組み立て後の
構造も安定する。しかもまた、剛体球は比較的加工や入
手が容易であるため、この点からもコストの削減を図る
ことができる。

【０００９】また、剛体収容部が逆円錐状の傾斜面を有
し、該傾斜面に前記球形剛体がその周面を環状に当接さ
れることにより、傾斜面と球形剛体との間に多数の接点
Ｓ１が環状に形成されるとともに、前記他の接点が前記
環状接点の中心軸上に存在するものとなされ、かつ該他
の接点において、球形剛体と環状接点とが圧接する方向
に球形剛体を押圧した状態で、球形剛体が収容部内に収
容され、かつ前記他の接点と球形剛体との間に圧電素子
が介在配置されている場合には、環状接点の中心軸に関
して対称方向に加わった加速度については、ほぼ同一の
大きさの圧電素子出力が得られ、加速度の方向に対する
圧電素子出力のバラツキをその分抑制できる。しかも、
逆円錐状の傾斜面の加工は比較的容易であることから、
センサの製造が簡易となる。

【００１０】また、加速度非存在時における前記球形剛
体と圧電素子との間の圧力を可変調節する定常圧力調節
手段が設けられている場合には、収容部や球形剛体の寸
法に多少の誤差が生じていたり、設置環境等によりこれ
らに歪みを生じても、前記定常圧力調節手段によって圧
電素子に加わる定常圧力を一定に調整できるから、前記
構造的な誤差や歪みを容易に吸収することができ、感度
バラツキの少ないセンサとなしうる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、この発明の実施の形態を添
付図面に基づいて説明する。

【００１２】図１〜４はこの発明の一実施の形態に係る
加速度センサを示すものである。

【００１３】これらの図において、（１）は硬質樹脂か
らなるケーシングとしての箱体、（２）は該箱体内に収
納された球形剛体である。

【００１４】前記箱体（１）は、加工及び組み立てを容
易にするために、本体（１１）と蓋体（１２）とで構成
されている。

【００１５】本体（１１）は球形剛体（２）の直径より
も大きな内径の中空部を有する有底円筒体からなり、底
部（１１ａ）の下面中央には、外周面にねじ部を有する
固定ねじ（１３）が突設されている。一方、本体（１
１）の底部（１１ａ）上面は、中心に向かって下方傾斜
する逆円錐状の傾斜面（１１ｂ）に形成されることによ
り、該傾斜面（１１ｂ）の上方に、球形剛体（２）を収
容するためのすり鉢状の収容部（１１ｃ）が形成されて
いる。そして、この収容部（１１ｃ）に、球形剛体
（２）がその周面を前記傾斜面（１１ｂ）に環状に当接
させられた状態で収容されている。従って、球形剛体
（２）と傾斜面（１１ｂ）との間には、図４に示される
ように、多数の接点Ｓ１が環状に形成されることにな
る。なお、図１〜３に示される（１４）は、底部（１１
ａ）の中心部および前記固定ねじ（１３）を軸方向に貫
通して設けられた、傾斜面（１１ｂ）を加工するための
加工孔である。さらに、本体（１１）の周壁には、後述
する圧電素子の信号伝達用のリード線を外部に導出する
ための導出孔（１５）が設けられている。また、本体
（１１）の上端面には蓋体（１２）を被着せしめるため
のねじ孔（１６）が、周方向等分位置に３箇所設けられ
ている。

【００１６】前記蓋体（１２）は、本体（１１）の外径
と同じ径を有するとともに、裏面中央部には本体（１
１）の内部中空部に嵌入される筒状の嵌入凸部（１２
ａ）が形成されている。また、蓋体（１２）の周端部に
は周方向の３等分位置に貫通状の取付孔（１７）が設け
られており、該取付孔（１７）を挿通して前記本体（１
１）上端面のねじ孔（１４）に取付ねじ（１８）を螺着
することにより、蓋体（１２）が本体（１１）の上端に
固着せしめられている。さらに、蓋体（１２）の中心に
は貫通状のねじ孔（１９）が設けられており、該ねじ孔
（１９）に、定常圧力調節手段（４）の一部を構成する
断面Ｔ形のねじ部材（４１）が進退自在にねじ込まれて
いる。

【００１７】定常圧力調節手段（４）は、上記のねじ部
材（４１）と、コイルスプリング（４２）と、押圧板
（４３）とで構成されている。

【００１８】前記ねじ部材（４１）の先端は、球形剛体
（２）の上下方向の中心軸上において、蓋体（１２）の
嵌入凸部（１２ａ）を貫通して球形剛体（２）の上方近
傍位置にまで達している。このねじ部材（４１）の先端
部には縮径部（４１ａ）が形成されるとともに、縮径部
上端に径大のフランジ（４１ｂ）が形成されている。そ
して、縮径部（４１ａ）の外側にコイルスプリング（４
２）が挿通されるとともに、該コイルスプリング（４
２）の上端は前記フランジ（４１ｂ）に係止し、コイル
スプリング（４２）の下端はねじ部材（４１）の先端を
超えて下方に突出し、水平状に配置された押圧板（４
３）の上面に接触している。一方、押圧板（４３）の下
面は、球形剛体（２）の中心部上端の接点Ｓ２（図４に
示す）において圧電素子（３）を介して球形剛体（２）
に接触している。従って、押圧板（４３）は、コイルス
プリング（４２）によって下方の球形剛体方向への付勢
力を付与され得るものとなされるとともに、ねじ部材
（４１）を下方進出方向へねじ込むことによって、押圧
板（４２）とねじ部材（４１）のフランジ（４１ｂ）と
の間でコイルスプリング（４２）の圧縮量を変え、もっ
て押圧板（４３）への付勢力を調節できるものとなされ
ている。そして、押圧板（４３）の付勢力を変えること
により、押圧板（４３）と球形剛体（２）との間に定常
的に作用する圧力が変化し、これにより、圧電素子
（３）の定常出力を調節可能となされている。

【００１９】なお、ねじ部材（４１）の縮径部（４１
ａ）は、スプリング（４２）を圧縮する際に、スプリン
グ（４２）が押圧方向に対して歪むのを規制する役割を
果たす。また、スプリング（４２）は、ねじ部材（４
１）をねじ込んで押圧板（４３）へ圧力を付加する際の
バックラッシュを吸収し、圧力の設定を容易にするため
に設けられたものである。また、スプリング（４２）の
ばね定数は、加速度センサが加速度を受けた際、スプリ
ング（４２）の圧縮量が変化しない値、換言すれば圧電
素子（３）の感度に影響を与えない値に設定されてい
る。また、前記押圧板（４３）は、箱体（１）の本体
（１１）の内径とほぼ同じかわずかに小さい外径を有
し、本体（１１）の内面に沿って上下に滑らかに移動し
得る態様となされている。従って、該押圧板（４３）に
コイルスプリング（４２）から付与される圧力を、球形
剛体（２）の重心に向けて正確に付加することができ、
傾斜面（１１ｂ）と球形剛体（２）の間の環状の各接点
Ｓ１に偏りのない定常圧力を付加することができる。

【００２０】前記球形剛体（２）は、加速度が作用する
作用体として機能するものである。この剛体（２）は、
樹脂、金属、合金、ガラス、セラミクス等の材料で形成
すれば良いが、その重量が大きいほどセンサに加速度が
加わった時に作用する圧電素子（３）への圧力が大きく
なり、センサ感度が良くなる。従って、小型で検出感度
の良い加速度センサを得るためには、許容される重量範
囲内で、比重のできるだけ大きい球形剛体（２）を採用
するのが好ましい。入手の容易性や材質の剛性を勘案す
ると、剛体（２）として鋼球が好適である。

【００２１】圧電素子（３）は、この実施形態では、材
質としてＰＺＴセラミクス（チタン酸鉛とジルコン酸鉛
との固溶体）が採用され、その形状は肉薄の円板形状と
なされている。この圧電素子（３）は定常圧力調節手段
（４）の先端に配置された押圧板（４３）の下面中心に
取り付けられるとともに、押圧板（４３）に付与される
コイルスプリング（４２）の付勢力によって、球形剛体
（２）の上下中心軸上換言すれば球形剛体（２）と傾斜
面（１１ｂ）との環状接点Ｓ１の中心軸上において、球
形剛体（２）の上端と圧接している。また、圧電素子
（３）からの信号を取出すリード線は、箱体本体（１
１）の前記導出孔（１５）に挿通され、箱体（１）の外
部に導出されている。なお、圧電素子（３）は、セラミ
クス系はもちろんのこと樹脂系のものをも使用すること
ができ、あるいはコンデンサの容量変化等を利用したも
のや、ピエゾ抵抗を用いたものでも良く、要は圧力を電
気信号に変換できる素子であればいずれをも使用するこ
とができる。

【００２２】図１〜３において、（５）は箱体（１）の
下方に配置された固定盤であり、加速度センサを被検出
物に取り付けるためのものである。この固定盤（５）
は、箱体（１）の外径よりも径大の円盤状となされ、そ
の中心にはねじ孔（５ｂ）が刻設されている。そして、
このねじ孔（５ｂ）に、箱体（１）の固定ねじ（１３）
が螺着一体化されている。また、固定盤（５）の周端部
には、取付け孔（５ａ）が形成され、この取付け孔（５
ａ）にボルトやビス等を通して、加速度センサを被検出
物に固定するものとなされている。

【００２３】図示実施形態に係る加速度センサでは、ま
ず、定常圧力調節手段（４）により、球形剛体（２）と
圧電素子（３）との間に定常的に作用する圧力の大きさ
を一定範囲に設定する。設定は、ねじ部材（４１）の進
退量を調節して、コイルスプリング（４２）の圧縮量を
調節することにより行えば良い。

【００２４】この状態で、例えば図４に矢印Ｘで示され
るような水平方向の加速度が加わった場合、傾斜面（１
１ｂ）の環状の各接点Ｓ１から球形剛体（２）が受ける
圧力が変化するため、力の釣り合いから、圧電素子
（３）が球形剛体（２）から受ける圧力も変化する。そ
して、この変化が圧電素子（３）により検出され、加速
度が検出される。また、同様に図４の紙面厚さ方向（Ｙ
方向）に加速度が加わった場合や、図４の上下方向（Ｚ
方向）に加速度が加わった場合にも、圧電素子（３）が
球形剛体（２）から受ける圧力が変化する。換言すれ
ば、３次元方向のどの方向に加速度が加わっても、圧電
素子（３）が球形剛体（２）から受ける圧力が変化し、
この変化が圧電素子（３）により検出され、加速度が検
出される。加速度が大きいほど圧力の変化量は大きく、
従って圧電素子の出力の変化量も大きくなる。しかも、
球形剛体（１）は傾斜面（１１ｂ）と環状に圧接してい
るから、環状接点における各接点Ｓ１の分布は環状接点
の中心軸Ａ（図４に示す）に関して対称であり、また押
圧板（４３）と球形剛体（２）とは環状接点の中心軸Ａ
上に存在する接点Ｓ２において圧接しているから、例え
ば図４の矢印ＸＺ１とＸＺ２で示されるように、前記中
心軸Ａに関して対称な方向に生じた加速度については、
ほぼ同一の出力値が圧電素子（３）から得られることに
なる。

【００２５】そして、圧電素子（３）から出力された信
号が所定値以下もしくは以上の時、安全装置を作動させ
る等の制御が実施される。

【００２６】なお、図４に示される中心軸Ａと傾斜面
（１１ｂ）とのなす角θが大き過ぎても小さすぎても、
各方向の加速度に対するセンサ感度にバラツキを生じる
ことから、θは４５度±２度に設定するのが望ましい。

【００２７】図１〜４に示した実施形態では、傾斜面
（１１ｂ）と球形剛体（２）とが環状に圧接している場
合を示したが、必ずしも環状に圧接している必要はな
く、図５に示されるように、球形剛体（２）をその中心
を通らない平面で仮想的に切断したときの仮想断面（２
ａ）の外周縁上に位置する少なくとも３個の接点Ｓ３
と、前記仮想断面（２ａ）の外周縁上に位置しない少な
くとも１個の接点（例えば図４に示した接点Ｓ２）の少
なくとも合計４個の接点で圧接支持されていれば良い。
ただし、仮想断面（２ａ）の外周縁上に位置する少なく
とも３個の接点Ｓ３は、隣接する接点を結んでできる閉
曲線Ｌの内側に仮想断面（２ａ）の中心Ｃが存在するよ
うに設定されなければならない。このような接点形態を
有するものとして、例えば図１〜４に示されたセンサの
収容部（１１ｃ）の形状を、逆円錐状ではなく、逆三角
錐状や逆四角錐状に形成し、これらの形状の各傾斜面に
圧接した状態で球形剛体（２）を収容配置したものを挙
げ得る。また、収容部の形状に応じて、箱体本体（１
１）の内部中空部の形状も断面三角形や四角形に形成し
ても良い。

【００２８】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、所定の位
置関係において４個の接点と圧接された球形剛体と、１
個の圧電素子により、３次元方向の加速度を検出するこ
とができるから、部品点数が従来のものに比べて少なく
なり、構造を簡易にできる。特に高価な圧電素子を１個
しか必要としないことは、部品コストの大幅に削減に寄
与するものとなる。しかも球形剛体を用いるから、剛体
を収容部に収容する際に、方向を気にする必要がなく、
組み立てが容易であり、構造的にも安定し、センサの信
頼度を高めることができる。また、球形剛体は広く市販
されており、入手が容易なことからコスト低減にも寄与
する。

【００２９】また、請求項２に記載の発明によれば、上
記効果に加えて、環状接点の中心軸に関して対称方向に
加わった加速度については、ほぼ同一の大きさの圧電素
子出力が得られ、加速度の方向に対する圧電素子出力の
バラツキをその分抑制できる。しかも、逆円錐状の傾斜
面の加工は比較的容易であることから、センサの製造を
益々簡易化できる。

【００３０】また、請求項３に記載の発明によれば、上
記効果に加えて、収容部や球形剛体の寸法に多少の誤差
が生じていたり、設置環境等によりこれらに歪みを生じ
ても、前記定常圧力調節手段によって圧電素子に加わる
定常圧力を一定に調整できるから、前記構造的な誤差や
歪みを容易に吸収することができ、感度バラツキの少な
いセンサとなしうる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施の形態を示す斜視図であ
る。

【図２】 図１の分解斜視図である。

【図３】 図１の縦断面図である。

【図４】 図３の要部拡大図である。

【図５】 この発明の他の実施の形態を示す図で、球形
剛体と接点の位置関係を説明するための仮想断面図であ
る。

【符号の説明】

１…箱体 ２…球形剛体 ３…圧電素子 ４…定常圧力調節手段 １１ｂ…傾斜面 １１ｃ…収容部 ４１…ねじ部材 ４２…スプリング ４３…押圧板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球形剛体（２）と、 該球形剛体（２）をその中心を通らない平面で仮想的に
   切断したときの仮想断面（２ａ）の外周縁上に位置する
   少なくとも３個の接点Ｓ１であって、隣接する接点を結
   んでできる閉曲線Ｌの内側に仮想断面の中心Ｃが存在す
   るように設定された少なくとも３個の接点Ｓ１と、前記
   仮想断面（２ａ）の外周縁上に位置しない少なくとも１
   個の他の接点Ｓ２とにおいて、前記球形剛体（２）を圧
   接状態に収容支持する剛体収容部（１１ｃ）と、 前記球形剛体（２）と、これに圧接する前記少なくとも
   ４個の接点のうちのいずれかの接点との間に介在配置さ
   れた圧電素子（３）とを備えたことを特徴とする加速度
   センサ。
2. 【請求項２】 前記剛体収容部（１１ｃ）が逆円錐状の
   傾斜面（１１ｂ）を有し、該傾斜面（１１ｂ）に前記球
   形剛体（２）がその周面を環状に当接されることによ
   り、傾斜面（１１ｂ）と球形剛体（２）との間に多数の
   接点Ｓ１が環状に形成されるとともに、前記他の接点Ｓ
   ２が前記環状接点Ｓ１の中心軸Ａ上に存在するものとな
   され、かつ該他の接点Ｓ２において、球形剛体（２）と
   環状接点Ｓ１とが圧接する方向に球形剛体（２）を押圧
   した状態で、球形剛体（２）が収容部（１１ｃ）内に収
   容され、かつ前記他の接点Ｓ２と球形剛体（２）との間
   に圧電素子（３）が介在配置されている請求項１に記載
   の加速度センサ。
3. 【請求項３】 加速度非存在時における前記球形剛体
   （２）と圧電素子（３）との間の圧力を可変調節する定
   常圧力調節手段（４）が設けられたことを特徴とする請
   求項１または２に記載の加速度センサ。