JPH10142255A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加速度検出の精度を高めるためにはコスト高
となり、構成の簡素化や製造の容易化を図ることができ
ない。 【解決手段】 加速度に応じて変位する振子２の位置が
基準位置に対してどちら側にあるかに応じた２値の検出
出力を出力する変位検出部７と、この変位検出部７によ
る検出出力に応じて振子２を基準位置に戻す方向に駆動
する駆動手段４とを設け、この駆動手段４が振子２に対
して加える駆動力の方向がいずれの方向について長い時
間持続するかにより、加速度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体に生じている
加速度を検出するために使用される加速度センサに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、物体に生じる加速度を検出す
るための加速度センサが提案されている。この加速度セ
ンサは、例えば、図１０及び図１１に示すように、基体
部であるケース１０１内にこのケース１０１に対して変
位可能に支持された振子１０２を有してなるものであ
り、この振子１０２は、上端側が可撓性を有するフレク
チャ１０３を介して上記ケース１０１内に固定され、下
端側は揺動可能とされている。

【０００３】そして、上記ケース１０１内には、上記振
子１０２の周囲に位置してトルカ１０４を構成するマグ
ネット１０５が配設されている。このマグネット１０５
は、上記振子１０２に取り付けられ該マグネット１０５
が形成する磁界中に位置するコイル１０６とともに、上
記トルカ１０４を構成する。このトルカ１０４は、上記
振子１０２に対して駆動力を作用させるものである。す
なわち、このトルカ１０４を構成するコイル１０６に駆
動電流が供給されると、このコイル１０６は、上記マグ
ネット１０５が形成する磁界により力を受け、この力を
上記振子１０２に伝達する。

【０００４】また、上記ケース１０１内には、上記振子
１０２の該ケース１０１に対する変位量を検出する変位
検出器１０７が内蔵されている。この変位検出器１０７
は、上記振子１０２の上記ケース１０１内の基準位置
（該ケース１０１に加速度が生じていない場合における
位置）に対する変位量（角変位）を検出し、この検出結
果に応じた検出電圧を出力する。この検出電圧は、上記
ケース１０１内に内蔵されたサーボ増幅器１０８に送ら
れる。このサーボ増幅器１０８は、上記検出電圧に応じ
た駆動電流を、上記トルカ１０４を構成するコイル１０
６に供給する。

【０００５】上記サーボ増幅器１０８が上記コイル１０
６に供給する駆動電流は、上記振子１０２を上記基準位
置に復帰させる方向の電流である。また、この駆動電流
の量は、上記振子１０２が変位しようとするトルクに比
例したものとなっている。すなわち、上記サーボ増幅器
１０８は、上記トルカ１０４を介して、上記振子１０２
に対する負帰還（負フィードバック）を行う。なお、上
記コイル１０６には、読取り抵抗ＲＬ及び出力端子１０
９が接続されている。

【０００６】そして、この従来の加速度センサでは、上
記ケース１０１に加速度が生じると、上記振子１０２
は、該ケース１０１に対して、生じた加速度の方向とは
反対方向に変位しようとする。このとき、この振子１０
２は、上記トルカ１０４を構成するコイル１０６に供給
される駆動電流により変位を阻止される。すなわち、こ
の振子１０２は、加速度が生じたときは、原理的には僅
かに変位することとなるが、上記サーボ増幅器１０８に
おける増幅率が大きいために、実際上は、変位しない状
態となる。

【０００７】このとき、上記コイル１０６に供給されて
いる上記駆動電流の量を、上記出力端子１０９を介して
モニタすれば、この電流量は上記加速度の方向及び大き
さを示すものとなっているので、該加速度の検出ができ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した構
成に係る従来の加速度センサにおいては、上記変位検出
器１０７は、上記振子１０２の微小変位をアナログ信号
として検出しており、高い検出精度が要求される。ま
た、この変位検出器１０７は、上記振子１０２につい
て、正方向及び逆方向の２方向の変位を検出する必要が
あるため、２つの変位検出器を有して構成されており、
この結果構成が複雑であるばかりではなく、コスト高の
原因ともなっている。

【０００９】また、この加速度センサにおいては、上記
変位検出器１０７の分解能そのものが加速度検出の分解
能となる。そのため、この加速度センサにおいて加速度
検出の分解能を向上させるためには、上記変位検出器１
０７の分解能を向上させなければならず、構成の複雑化
や製造の困難化が招来される。

【００１０】さらに、この加速度センサにおいては、上
記トルカ１０４を構成するマグネット１０５の発生する
磁力や上記コイル１０６の巻数やインピーダンスについ
ても、加速度検出の精度に影響するため、設計，製造に
あたっては高精度に管理する必要がある。

【００１１】そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて
提案されたものであって、構成が簡素化され、設計や製
造を極めて容易に行うことができるばかりではなく、高
い精度で加速度を検出することができる加速度センサを
提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために提案されたものであって、第１の発明（請
求項１記載の発明）は、基体部に対して移動可能に支持
され、該基体部に加速度が生じたときに慣性により該基
体部に対して変位する振子と、上記基体部に対する上記
振子の位置が、基準位置に対してどちら側に変位したか
に応じた２値の検出出力を出力する変位検出部と、上記
変位検出部からの検出出力に応じて、上記振子を上記基
準位置に戻す方向に該振子を駆動させる駆動手段とを備
え、上記駆動手段が上記振子に対して加える駆動力の内
マイナスの方向への駆動力が持続される時間と該駆動力
の内プラスの方向への駆動力が持続される時間との比較
により、上記基体部に生じている加速度を検出すること
を特徴とするものである。

【００１３】また、第２の発明（請求項２記載の発明）
は、前記変位検出部からの検出出力に対応する信号が送
られ、この信号について積分処理することにより、前記
駆動手段が振子に対して加える駆動力の内のマイナスの
方向への駆動力が持続される時間と該駆動力の内のプラ
ス方向への駆動力が持続される時間との差を検出する積
分手段を備えていることを特徴とするものである。

【００１４】さらに、第３の発明（請求項３記載の発
明）は、前記積分手段は、変位検出部からの検出出力に
対応する信号をデジタル変換して積分処理を行う信号処
理回路により構成されてなることを特徴とするものであ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係る
加速度センサについて、図面を参照しながら詳細に説明
する。

【００１６】この加速度センサは、図１及び図２に示す
ように、基体部であるケース１内にこのケース１に対し
て変位可能に支持された振子２を有して構成されてい
る。この振子２は、上端側を可撓性を有するフレクチャ
３を介して上記ケース１内に固定され、下端側が揺動可
能となされている。そして、上記ケース１内には、この
振子２を駆動する駆動手段を構成するトルカ４が設けら
れている。このトルカ４は、上記振子２の周囲に位置し
て配設されたマグネット５と、該振子２に取り付けられ
該マグネット５が形成する磁界中に位置するコイル６と
から構成されている。このトルカ４は、上記振子２に対
して駆動力を作用させるものである。すなわち、このト
ルカ４を構成するコイル６に駆動電流が供給されると、
このコイル６は、上記マグネット５が形成する磁界によ
り力を受け、この力を上記振子２に伝達する。

【００１７】また、上記ケース１内には、上記振子２の
該ケース１に対する変位を検出する変位検出部７が内蔵
されている。この変位検出部７は、上記ケース１に対す
る上記振子２の位置が、基準位置（該ケース１に加速度
が生じていないときの位置）に対してどちら側にあるか
（例えば、基準位置を中心として左側又は右側）に応じ
た２値の検出出力を出力する。例えば、上記変位検出部
７は、上記振子２が上記基準位置に対して正方向に僅か
でも変位した場合には、“Ｈ”（ハイ）レベルの検出出
力を出力し、該振子２が基準位置上、または、基準位置
に対して僅かでも負方向に変位した場合には、“Ｌ”
（ロー）レベルの検出出力を出力する。

【００１８】そして、上記変位検出部７は、スイッチン
グ部８に接続され、該変位検出部７からの検出出力は、
このスイッチング部８に送られる。このスイッチング部
８は、上記トルカ４とともに、本発明を構成する駆動手
段を構成するものであり、上記変位検出部７からの検出
出力に応じて、上記振子２を上記基準位置に戻す方向に
該振子２を駆動する一定の量の駆動電流を、上記トルカ
４を構成するコイル６に供給する。なお、上記スイッチ
ング部８が上記コイル６に供給する駆動電流は、上記振
子２を上記基準位置に復帰させる方向の電流であって、
その電流量は、上記振子２の変位量に拘らず一定とされ
ている。したがって、上記振子２は、上記ケース１に加
速度が生じていない初期状態においては、上記基準位置
を中心として、常時一定の周期、一定の振幅で振動（往
復運動）させられている。

【００１９】また、上記スイッチング部８には、本発明
を構成する積分手段としてのフィルタ９が接続されてお
り、該スイッチング部８からは、このフィルタ９に対し
て上記駆動電流に対応した信号が出力される。このフィ
ルタ９に供給される信号は、図３に示すように、一定値
の正（プラス）レベルと一定値の負（マイナス）レベル
とが一定の周期で互いに等しい時間ずつ繰り返される信
号となっている。この信号が、上記フィルタ９により積
分，平滑化処理されると、一定の直流成分が得られる。
このとき、一定値の正（プラス）レベルと一定値の負
（マイナス）レベルとが一定の周期で互いに等しい時間
ずつ繰り返されているので、積分処理によって得られる
直流成分は、“０”レベルとなる。なお、このフィルタ
９としては、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を用いること
ができる。ローパスフィルタは、積分回路として用いる
ことができる。

【００２０】また、この加速度センサにおいて、上記ケ
ース１に正方向の加速度が生じると、上記振子２は、該
加速度の反対の方向に慣性力を受け、該加速度の反対方
向（逆方向）への変位の速度が早くなり、逆に該加速度
の方向（正方向）への変位の速度が遅くなる。このと
き、上記フィルタ９に供給される信号は、図４に示すよ
うに、一定値の正（プラス）レベルと一定値の負（マイ
ナス）レベルとが一定の周期で繰り返されるが、互いに
異なる時間（負（マイナス）レベルが長い）で繰り返さ
れる信号となっている。この信号が上記フィルタ９によ
って積分処理されると、一定値の正（プラス）レベルと
一定値の負（マイナス）レベルとの持続時間が互いに異
なるので、積分処理によって得られる直流成分は、
“０”レベルではなく負（マイナス）レベルとなる。

【００２１】また、逆にこの加速度センサにおいて、上
記ケース１に逆方向の加速度が生じた場合には、上記振
子２は、該加速度の反対方向に慣性力を受け、該加速度
の反対方向（正方向）への変位の速度が速くなり、逆に
該加速度の方向（逆方向）への変位の速度が遅くなる。
このとき、上記フィルタ９に供給される信号は、図５に
示すように、一定値の正（プラス）レベルと一定値の負
（マイナス）レベルとが一定の周期で繰り返されるが、
互いに異なる時間（正（プラス）レベルが長い）で繰り
返される信号となる。この信号が上記フィルタ９によっ
て積分処理されると、一定値の正（プラス）レベルと一
定値の負（マイナス）レベルとの持続時間が互いに異な
るので、積分処理によって得られる直流成分は、“０”
レベルではなく、正レベルとなる。

【００２２】すなわち、この加速度センサにおいては、
上記トルカ４が上記振子２に対して加える駆動力の内マ
イナス方向への駆動力が持続される時間と該駆動力の内
他の方向への駆動力が持続される時間との比較により上
記ケース１に生じている加速度が検出される。上記フィ
ルタ９は、変位検出部７よりの検出出力に対応する信号
を上記スイッチング部８より送られこの信号について積
分処理することによりって、上記トルカ４が上記振子２
に対して加える駆動力の内マイナス方向への駆動力が持
続される時間と該駆動力の内他の方向への駆動力が持続
される時間との差を、直流成分のレベルとして検出す
る。

【００２３】上述のように、本発明に係る加速度センサ
においては、入力された加速度の方向及び大きさが、直
流の検出信号の極性及びレベルの大小に対応されて検出
される。ここで、この加速度センサにおける加速度の検
出原理について説明すると、先ず、図８に示すように、
上記振子２がＰ₁ の位置にあり、上記トルカ４から＋Ｆ
の駆動力が発生しているとする。すると、上記振子２に
加わる加速度ａは、

【数１】 である。そして、上記振子２がＰ₂ の位置に移動するま
での時間ｔ₁ は、

【数２】 である。上記振子２がＰ₂ の位置にあるときは、上記変
位検出部７がこの振子２の変位を検出するので、この振
子２には、−Ｆの駆動力が加わる。そして、上記振子２
がＰ₂ の位置からＰ₁ の位置に移動するまでの時間ｔ₂
は、

【数３】 ここで、

【数４】 とすると、

【数５】 となる。理論上は、Ｐ＝０となるが、実際には、変位検
出部７のスイッチングのヒステリシスやスイッチングの
時間の遅れ等で、Ｐは、０とならず、必ず、有限値を示
す。

【００２４】そして、図９に示すように、上記ケース１
に加速度ａ₁ が入力されると、上記振子２に加わる加速
度は、

【数６】 上記振子２がＰ₁ の位置からＰ₂ の位置に移動するまで
の時間ｔ₁ は、

【数７】 このとき、上記振子２に加わる加速度は、

【数８】 上記振子２がＰ₂ の位置からＰ₁ の位置に移動するまで
の時間ｔ₂ は、

【数９】 ここで、ａ＞ａ₁ とする。そして、ｔ₁ とｔ₂ とを比較
すると、

【数１０】 ａ＞＞ａ₁ であれば

【数１１】 と近似できる。実用上は

【数１２】 程度なので問題はない。

【００２５】上述のように、本発明に係る加速度センサ
においては、上記変位検出部７がアナログ式ではなく、
スイッチング式で良いため、製造が容易化され、コスト
低減も図ることができる。また、上記変位検出部７の出
力信号に対する増幅部が不要であるため、構成の簡素化
を図ることができる。また、この加速度センサにおいて
は、上記変位検出部７にヒステリシスがあっても、加速
度の検出精度には影響しない。そして、この加速度セン
サにおいては、上記トルカ４の発生する駆動力の変化が
加速度の検出精度に影響しにくい。すなわち、前述した
従来の加速度センサの構成では、上記トルカ４の発生す
る駆動力の変化（誤差）が検出出力の誤差となって表れ
るのに対し、本発明に係る加速度センサにおいては、該
トルカ４の発生する駆動力の変化（誤差）は、該検出信
号の誤差ではなく、誤差率として影響するにすぎない。
そして、この誤差率は、上記トルカ４が発生する駆動力
と上記ケース１に生じる加速度（入力加速度）との比に
よって異なる。例えば、上記トルカ４の発生する駆動力
の変化（誤差）が１％である場合において、この駆動力
と入力加速度との比が１００：１であるときには、検出
出力の誤差で約１％増え、該駆動力と入力加速度との比
が１０００００：１であるときには、検出出力の誤差で
約０．００１％増えるに過ぎない。

【００２６】なお、加速度センサによる加速度の検出信
号は、マイクロプロセッサ（マイクロコンピュータ，Ｃ
ＰＵ）の如き信号処理回路に取り込まれて、信号処理さ
れ、種々の制御のために使用されることが多い。従来の
加速度センサにおいては、図１２に示すように、アナロ
グ信号である検出信号をアンチエイリアジングフィルタ
１１０を介してＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）コンバー
タ１１１に送り、このＡ／Ｄコンバータ１１１によりデ
ジタル信号に変換してから、マイクロプロセッサ１０に
取り込ませていた。

【００２７】本発明に係る加速度センサにおいては、図
６に示すように、上記スイッチング部８から出力される
信号を、直接Ｉ／Ｏポート１１を介して、マイクロプロ
セッサ１０に取り込ませることができる。すなわち、こ
の場合においては、上記積分手段は、マイクロプロセッ
サ（信号処理回路）１０により構成されていることとな
る。このマイクロプロセッサ１０は、上記スイッチング
部８から出力される信号をデジタル的に変換して積分処
理を行う。

【００２８】そして、本発明に係る加速度センサは、上
述のように、上記スイッチング部８から出力される信号
を直接的にマイクロプロセッサ１０に取り込ませること
を前提として構成する場合には、図７に示すように、上
記フィルタ９等の積分手段が接続されていない状態で構
成しておくことができる。そして、この回路は、上記マ
イクロプロセッサ１０の如き信号処理回路に接続される
ことにより、加速度センサとして動作することとなる。

【００２９】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る加速度セン
サにおいては、基体部に対して移動可能に支持され、該
基体部に加速度が生じたときに慣性により該基体部に対
して変位する振子と、上記基体部に対する上記振子の位
置が、基準位置に対してどちら側に変位したかに応じた
２値の検出出力を出力する変位検出部と、上記変位検出
部からの検出出力に応じて、上記振子を上記基準位置に
戻す方向に該振子を駆動させる駆動手段とを備え、上記
駆動手段が上記振子に対して加える駆動力の内マイナス
の方向への駆動力が持続される時間と該駆動力の内プラ
スの方向への駆動力が持続される時間との比較により、
上記基体部に生じている加速度を検出することとしてい
る。

【００３０】したがって、この加速度センサにおいて
は、上記変位検出部における検出精度や上記駆動手段の
駆動力についての精度が、検出される加速度の精度（分
解能）に影響しない。そのため、この加速度センサは、
高精度の加速度検出性能を維持しつつ簡素化することが
できるとともに、設計や製造の容易化を図ることができ
る。すなわち、本発明は、構成を簡素化することができ
設計や製造を極めて容易に行うことができるとともに、
高い精度で加速度を検出することができる加速度センサ
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る加速度センサの構成を示
す斜視図である。

【図２】図２は、図１に示す加速度センサの構成を示す
ブロック図である。

【図３】図３は、上記加速度センサにより出力される検
出出力（加速度がない場合）を示す波形図である。

【図４】図４は、上記加速度センサにより出力される検
出出力（正の加速度が生じている場合）を示す波形図で
ある。

【図５】図５は、上記加速度センサにより出力される検
出出力（負の加速度が生じている場合）を示す波形図で
ある。

【図６】図６は、上記加速度センサを信号処理回路に接
続した状態を示すブロック図である。

【図７】図７は、上記加速度センサを信号処理回路に接
続されるように構成した状態を示すブロック図である。

【図８】図８は、上記加速度センサの原理を示す側面図
である。

【図９】図９は、上記加速度センサの原理であって加速
度が生じた状態を示す側面図である。

【図１０】図１０は、従来の加速度センサの構成を示す
斜視図である。

【図１１】図１１は、上記従来の加速度センサの構成を
示すブロック図である。

【図１２】図１２は、上記従来の加速度センサを信号処
理回路に接続するための構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ ケース ２ 振子 ４ トルカ ５ マグネット ６ コイル ７ 変位検出部 ８ スイッチング部 ９ フィルタ １０ マイクロプロセッサ（信号処理回路）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体部に対して移動可能に支持さ
   れ、該基体部に加速度が生じたときに慣性により該基体
   部に対して変位する振子と、 上記基体部に対する上記振子の位置が、基準位置に対し
   てどちら側に変位したかに応じた２値の検出出力を出力
   する変位検出部と、 上記変位検出部からの検出出力に応じて、上記振子を上
   記基準位置に戻す方向に該振子を駆動させる駆動手段と
   を備え、 上記駆動手段が上記振子に対して加える駆動力の内マイ
   ナスの方向への駆動力が持続される時間と該駆動力の内
   プラスの方向への駆動力が持続される時間との比較によ
   り、上記基体部に生じている加速度を検出することを特
   徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記変位検出部からの検出出力に対
   応する信号が送られ、この信号について積分処理するこ
   とにより、前記駆動手段が振子に対して加える駆動力の
   内のマイナスの方向への駆動力が持続される時間と該駆
   動力の内のプラス方向への駆動力が持続される時間との
   差を検出する積分手段を備えていることを特徴とする請
   求項１記載の加速度センサ。
3. 【請求項３】 前記積分手段は、変位検出部からの
   検出出力に対応する信号をデジタル変換して積分処理を
   行う信号処理回路により構成されてなることを特徴とす
   る請求項２記載の加速度センサ。