JPS63118668A - ３軸加速度検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、直線運動による加速度を検出する加速度検出
器に関し、特に直交する３軸方向の加速度を一体化した
検出器構造で検出する３＠加速度検出器に関する。

（従来技術） 従来、直線運動による加速度を検出する加速度検出器に
あっては、加速度によりプルーフ・マスに発生する慣性
力を、磁界中に置かれた導体に電流を流すことにより発
生する電磁力によってバランスざぜ、電磁力を発生する
電流を加速度信号とするサーボ型の加速度検出器が知ら
れたおり、このサーボ型加速度検出器としては、例えば
第４図に示すものがある。

第４図（ａ　＞　　（ｂ　）において、４０はケースで
あり、ケース４０内には、フレキシブルヒンジ４２によ
ってプルーフ・マス４４が加速度の入力軸方向に偏位自
在に設けられる。プルーフ・マス４４の右側にはトルカ
マグネット４６により入力軸方向の力を発生するトルカ
コイル４８が装着され、更にプルーフ・マス４４の加速
度による偏位を検出する発光素子５０と受光素子５２で
なる偏位ピックアップが設けられる。

またフレキシブルヒンジ４２は第４図（Ｃ）に取り出し
て示すように、入力軸に直交する方向の剛性を大とし、
入力軸方向に対してのみ偏位できる構造をもち、入力軸
に直交する方向の加速度を受けても誤差を生じないよう
にしている。

このようなナーポ型加速度検出器の動作は、入力軸に沿
って加速度が加わると、フレキシブルヒンジ４２で支え
られたプルーフ・マス４４が偏位し；この偏位はピック
アップで検出され、サーボアンプ５６の入力となる。サ
ーボアンプ５６で増幅された電流はプルーフマス４４に
取り付けられたトルカコイル４８に流れ、ベース側に固
定されているトルカマグネット４６による磁束とトルカ
コイル４８を流れる電流の作用でプルーフ・マス４２に
・層性力と逆向きの電磁力を発生し、この電磁力で偏位
が零となるようにプルーフ・マス４２を押し戻す。そし
て、このときのトルカコイル４８に供給された電流が加
えられた加速度に正確に比例するので、この電流を例え
ば読取り抵抗の両端電圧として計測することによって加
速度の大ぎざを知ることかできる。

また、３軸方向の加速度を一体化した検出器構造で検出
する３軸加速度検出器としては、例えば第５図に示す米
国特許第４，３７２，５２０号のものが知られている。

この第５図に示す３軸加速検出器にあっては、４つの磁
極を内周に備えたステータ２４の中に、Ｚ軸方、向の電
磁力を発生する４つのコイル１００゜１０２．１０４，
１０６、Ｘ軸方向の電磁力を発生する２つのコイル１１
８，１２０．更にＹ軸方向の電磁力を発生する２つのコ
イル１３２，１３４を９受け、第４図の実施例と同様、
３軸方向の加速度によるプルーフ・マスの偏位を零とす
るように各コイルに電流を流して電磁力によりバランス
させ、各コイル電流から３軸方向の加速度を検出するよ
゛うにしている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の加速度検出器にあって
は次の問題があった。

まず第４図に示した１軸加速度検出器の場合、３軸方向
の加速度を検出するためには、３個の加速度検出器を準
備し、これらを一定の角度関係に保持固定する取付具を
必要とし、従って部品点数は１軸加速度検出器の３倍と
なって大型化し、コスト的にも高価であり、信頼度も低
くなるという問題があった。

また、第４図（Ｃ）に示したように、プルーフ・マスを
支持するフレキシブルヒンジ４２について、入力軸の方
向で撓み易く且つ入力軸に直交する方向で剛性を大とす
る事は互いに矛盾する要求であり、例えば加速度感度を
上げるために入力軸方向に撓み易くすると直交方向の強
度が不足し、直交軸方向に大きな加速度を受けるとヒン
ジが破壊に至らなくともゼロ点変化や直線性の悪化等の
性能劣下が生ずる欠点がおる。

一方、第５図に示した３軸加速度検出器にあっては、コ
イル数が多く、重量及びコストが高くなり、更に各コイ
ルのプルーフ・マスに対する取り付は方法が複雑になる
ためコイル電流によって発生する電磁力の方向の直交性
の規制について組み立て上の難点がある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、簡潔な機構構造により３軸方向の加速度を正確に
検出することのできるコンバクでコスト的にも安価な３
軸加速度検出器を提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明にあっては、３軸方向で
微小偏位自在に支持され各軸方向の加速度に応じた間性
力を発生するプルーフ・マスと、このプルーフ・マスの
重心位置を中心として前記・園性力に対し逆向きとなる
３軸方向の電磁力を半径方向の磁界中で個別に発生する
単一のＸコイル、Ｙコイル、及びＺコイルと、プルーフ
・マスの加速度による３軸方向の偏位を検出する偏位検
出器と、この偏位検出器で検出した各軸方向の偏位を零
に保つように前記各コイルに電流を流して前記電磁力を
間性力にバランスさせるサーボ制御手段とを設けるよう
にしたものである。

更に、前記各コイルの配置構造としては、半径方向に磁
界を発生する磁極部材の直径回りにＸコイルを巻き回す
と共にこのＸコイルに直交する位置で同じく直径回りに
Ｙコイルを巻き回し、更にｆ！ｉ極部材の外周に円筒状
にＺコイルを巻き回すようにしている。

（作用） このような本発明の構成によれば、３軸方向に微小偏位
自在に支持された１つのプルーフ・マスは加速度を受け
ると固定側となるケースに対し相対的に偏位し、このプ
ループ・マスの偏位が偏位検出器によってＸ、Ｙ、Ｚ方
向の偏位として検出される。検出されたＸ、Ｙ、Ｚ方向
の偏位信号は、それぞれ増幅器で増幅され、プルーフ・
マスに取付けられたＸ、Ｙ、Ｚ軸各１個ずつのコイルに
電流を流す。各コイルは永久磁石による磁界中に置かれ
ているので、それぞれ慣性力に対し逆向きのＸ、Ｙ、Ｚ
方向の電磁力を発生し、プルーフ・マスの慣性力による
偏位が元の位置に戻るようにフィードバック制御される
。各コイルにより発生する３軸の復元電磁力はコイル電
流に正確に比例するように作られており、また増幅器の
ゲインを充分高く取ることにより、コイル電流はプルー
フ・マスに働り・間性力、即ち加速度に正確に比例した
ものとなり、Ｘ、Ｙ、Ｚコイルの電流は加速度検出信号
として外部に出力される。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示した組立分解図である。

まず構成を説明すると、１は磁性材料で作られたケース
であり、ケース１の内部に加速度検出器の機構部品を収
納すると共に、磁石３の外側磁路を形成する。磁石３は
受座２によってケース１の内側端面に取付けられ、磁石
３はＺ軸方向に磁化されている。磁石３に続いては端面
に直交する溝５ａ、５ｂを切ったポール５及び円筒状の
ポール６が軸方向に順次組付けられ、このケース内の軸
方向に配置したポール５，６の外側に位置するケース１
の内周面には、直交する４箇所にポール４ａ、４ｂ、４
ｃ、４ｄが取付配置され、これらケース１側のポール４
ａ〜４ｄと内側のポール６との間に直径方向の磁束φを
発生するようにしている。ポール５の端面の直交する溝
５ａ、５ｂと保持具７との間にはＹコイル８とＸコイル
９が直交配置した状態で組込まれる。即ち、Ｙコイル８
はＹ軸方向に直交するポール６の直径回りに巻き回され
て配置され、一方、Ｘコイル９はＸ軸に直交するポール
６の直径回りに巻き回される。

更に、ポール６の外側に直交配置したＹコイル８とＸコ
イル９の外側には、コイル組立体１９に示すように、Ｚ
［Ｎ１回りに円筒状に７コイル１０が７コイル枠１０ａ
による支持をもって巻き回されている。即ち、第１図の
分解組立図にあっては、コイル組立体１つに内蔵される
Ｙコイル８及びＸコイル９の状態を分離して示しており
、Ｚコイル１０を巻き回したＺコイル枠１０ａの中に、
磁石３に続いてポール５、ポール６及び保持具７、更に
ポール６の外側に保持具７による支持で直交配置された
Ｙコイル８及びＸコイル９が組込まれる。

そして、コイル組立体１９内のＸコイル９、Ｙコイル８
及びＺコイル１０は、ケース１の内周面に形成した４つ
のポール４ａ〜４ｄとポール６との間隔中でポール５の
溝５ａ、５ｂにより制限された自由度の範囲内でＸ、Ｙ
、Ｚ方向に可動自在に組込まれており、Ｘコイル９、Ｙ
コイル８及びＺコイル１０のそれぞれは、内側の円柱状
のポール６とケース１の内周面の４箇所に設けた４つの
ポール４８〜４ｄとの間の磁束φと鎖交するように配置
される。

コイル組立体１９は振子１４の先端に固定されてプルー
フ・マスを形成する。コイル組立体１９に設けたＸコイ
ル９、Ｙコイル８及びＺコイル１Ｏのそれぞれに電流を
流すことで、振子１４のプルーフ・マスを形成するコイ
ル組立体１９に対し、コイル電流とポール６とケース１
のポール４ａ〜４ｄ間に生ずる磁束φで定まる電磁力を
３軸方向のそれぞれに発生するようにしている。

このコイル組立体１９に発生する３軸方向の力を第２図
のケース１内の組立状態の断面図、及び第３図の側面図
を参照して説明する。

まずケース１の内周に配置した４つのポール４ａ〜４ｄ
とコイル組立体１９の内側に配置したポール６との間に
は、磁石３より矢印で示す半径方向の磁束φが発生して
いる。例えば、Ｘコイル９を例にとると、Ｘコイル９の
Ｚ軸に平行な部分は磁束φと鎖交するので、Ｘコイル９
の下側部分にＺ軸の正方向に電流を流し、従って上側の
部分ではＺ軸の負方向に電流を流すと、フレミングの左
手の法則により、Ｘコイル９の下側部分がＸ軸の正方向
、Ｘコイル９の上側部分もＸ軸の正方向（磁束φも電流
も向きが逆になるため）に電磁力を生じ、従ってＸコイ
ル９全体としてはＸ軸の正方向に押される力を受ける。

一方、Ｘコイル９に流す電流の向きを逆にすると、力の
向きも逆となり、Ｘ軸の負方向に向う力発生する。

Ｙコイル８については、例えば第３図に示すＹコイル８
の右側でＺ軸に平行なコイル部分にＺ軸の正方向に電流
を流し、従ってＹコイル８の左側のコイル部分ではＺ　
！ｌ’−Ｊｌの負方向に電流を流すと、Ｙコイル８には
Ｙ軸の正方向に向う力がフレミングの左手の法則に従っ
て発生する。

更に、Ｚコイル１０については、例えば第３図において
、Ｚコイル１０に時計方向に電流を流すと、Ｚ軸の正方
向に向う力が７コイル１０に発生する。

従って、Ｘ；　Ｙ、Ｚの各コイル９，８．１０に流す電
流の向きと大きさを変えることにより、コイル組立体１
９に発生する電磁力による力ベクトルの大きざ及び方向
を変えることができる。

再び第１図を参照するに、振子１４はコイル組立体１９
の反対側においてフレックス・サポート１５の中心部に
支点２０をもって支持される。フレックス・サポート１
５の支点２０は、Ｚ軸方向の直線運動に対しては撓み易
く、Ｘ、Ｙ方向の直線運動に対しては撓み難いように剛
性を大としている。更に、振子１４はＸ＠及びＹ軸回り
には揺動し易く、Ｚ軸回りには揺動しずらく作られる。

このように振子１４をＺ軸方向の直線運動Ｘ軸及びＹ軸
回りの揺動のそれぞれについては撓み易くし、他の動き
に対しては剛性を大とする構造は、第１図に示したよう
な薄い円板で成るフレックス・サポート１５の外周部を
ケース１に固定することで実現できる。このような振子
１４の偏位支持構造を更に適切に実現するためには、フ
レックス・サポート１５を構成する薄い円板にダイヤフ
ラムと同様、同心円状の蛇腹構造を設けるようにしても
良く、或いは薄い円板で成るフレックス・サポート１５
０代わりに振子１４の支点２０を数本の細いワイヤでケ
ース１内に吊るすようにしても良い。

（辰子１４のコイル組立体１９側に近い部分にはプルー
フ・マスのケース１に対する偏位を検出するための偏位
検出器が設けられる。

第１図は一例として光電式の偏位検出器を示しており、
振子１４を間に介してＹ軸方向に相対して一対の発光素
子１１ａと受光素子１３ａを配置し、更に×４４１１方
向に相対して一対の発光素子１１ｂと受光索子１３ｂを
配置しており、発光素子１１ａと受光素子１３ａによっ
てＸ軸方向の偏位を検出し、また発光素子１１ｂと受光
素子１３ｂとによってＹ方向及びＺ方向の偏位を検出す
る。

即ち、発光素子１１ａ、１１ｂ及び受光素子１３ａ、’
１３ｂは互いに直交する位置でケース１内に固定され、
発光素子’ｌｌａと受光素子１３ａの光軸中心が通る振
子１４の軸に直交する部分にはレンズ１２ａが嵌通配置
され、また発光素子１１ｂと受光素子１３ｂの光軸が嵌
通する振子１４の　−部分にもレンズ１２ｂが嵌通配置
される。受光素子’１３ａ、１３ｂは４つの区分された
感光面を持つ４分割受光ダイオードを使用しており、２
つずつの区分された感光面からの出力を差動的に組合わ
けることにより、直交する２方向の偏位を検出すること
ができる。

即ち、発光索子１１ａ又は１１ｂからの光束は振子１４
に取付けられたレンズ１２ａ、１２ｂにより収束され、
それぞれ受光素子１３ａ、１３ｂの受光面に投射される
。従って、振子１４に加速度が作用し、プルーフ・マス
が例えばＸ軸方向に偏位すると、受光素子１３ａからの
導線２１にこのＸ軸方向の偏位に比例した信号が発生し
、増幅器１６で増幅された後、増幅器１６の出力電流は
組立体１９に内蔵したＸコイル９にフィードバックされ
る。このように検出信号に基づいてＸコイル９にフィー
ドバックされる電流はプルーフ・マスに作用した慣性力
による偏位を戻す方向に作用し、増幅器１６のゲインを
高くすることにより、無視できる程度の微小偏位によっ
て加速度を受けてプルーフ・マスに発生するＸ方向の力
をＸコイル９に流す電流により発生する電磁力とバラン
スさせ、このＸコイル９に流れる電流を外部に取出すこ
とでＸ軸加速度信号の出力を得ることができる。

Ｙ軸方向の加速度については、プルーフ・マスのＹ軸方
向の慣性力による偏位が受光素子１３ｂにより検出され
、導線２３を介して増幅器１８で増幅されてコイル組立
体１９に内蔵したＹコイル８にフィードバックされ、こ
のＹコイルに流れる電流がＹ軸加速度信号として外部に
出力される以外は前述のＸ軸加速度の場合と同様、Ｙ軸
加速度によりプルーフ・マスに発生するＹ方向の・旨性
力をＹコイル８で発生する電磁力でバランスさせるよう
になる。

更に、Ｚ軸方向の加速度については、受光素子１３８と
１３ｂの両方の出力から７方向の偏位を検出することが
でき、このため受光素子１３ａ。

１３ｂの出力は導線２２．２４によって増幅器１７に入
力され、増幅器１７から得られるＺ軸方向の偏位検出信
号に応じた電流をコイル組立体１９のＺコイル１０に流
し、Ｚ軸加速度によりプルーフ・マスに発生する゛慣性
力を７コイル１０による電磁力でバランスさせる。勿論
、増幅器１７の出力電流はＺ＠Ｉｌ加速度信号として外
部に出力される。

ここで、Ｚ軸方向の偏位信号を２系統の検出器から得る
ようにしているため次の特徴が生ずる。

即ち、発光素子１１ａ、１１ｂ、レンズ１２ａ。

１２ｂ及び受光素子’１３ａ、１３ｂにそれぞれ同一規
格品を使用すれば、プルーフ・マスの７方向の偏位に対
し導線２２．２４に表われる信号は偏位に比例したほと
んど同一の値となるので、増幅器１７で両者を加算する
ことにより偏位検出のゲインを２倍にすることができる
。

また、発光素子１１ａ、レンズ１２ａ、受光素子’１３
ａ、導線２２、若しくは発光素子］’ｌｂ、レンズ’！
２ｂ、受光素子１３ｂ、１３線２４のいずれかが故障し
た場合、導線２２と導線２４に表われる偏位検出信号に
差を生ずるので、例えば増幅器１７内に比較回路を設け
、この差を検出すれば偏位検出系の故障を容易に検出す
ることができる。

次に、上記の実施例に作用を説明する。

今、Ｘ、Ｙ及びＺ軸から外れた任意の方向の直線運動で
プルーフ・マスに加速度が加わったとすると、プルーフ
・マスが加速度方向に偏位し、このプルーフ・マスの偏
位に基づき、受光素子１３ａでＸ軸方向の偏位が、また
受光素子１３ｂでＹ軸方向の偏位が、更に受光素子１３
ａ、’１３ｂの加算出力によってＸ軸方向の偏位が検出
される。

受光素子１３ａで検出されたＸ軸方向の偏位は増幅器１
６で増幅され、Ｘコイル９に偏位信号に応じた電流を流
し、このためコイル組立体１つはＸ軸方向の慣性力によ
る偏位に対し逆向きとなる同じ大きさの電磁力による力
を受け、プルーフ・マスのＸ軸方向の偏位を元に戻すよ
うになる。このような偏位検出信号に基づいたコイルに
電流を流すことによる偏位方向と逆向きの電磁力による
プルーフ・マスを元に戻す作用は、Ｘコイル８及びＺコ
イル１０についても同様に行なわれ、任意の方向の加速
度による慣性力を受けたプルーフ・マスは常に初期位置
を保つようにフィードバック制御され、Ｘコイル９、Ｘ
コイル８及びＺコイルに流れる電流が各方向の加速度信
号として外部に出力される。

更に、第１図の実施例から明らかなように、プルーフ・
マスに加速度で作用する・慣性力を打ら消すための電磁
力を発生するｘ、ｙ、ｚコイル９゜８．１０はそれぞれ
単一のコイルであり、このようなコイルを保持具７、コ
イル枠１０ａ１単一の磁石３を使用した＠造としている
ため、Ｘ、Ｙ。

Ｚ軸の各方向の電磁力が共通の着力点、即ち力の中心に
作用し、この電磁力が加わる力の中心をプルーフ・マス
の重心に一致させるようにコイル組立体１９を配置させ
ることが容易にできる。従って、任意の３構成分を持つ
加速度を受けたとき、プルーフ・マスの重心に発生する
・慣性力は発光素子１１ａ、１１ｂ、レンズ１２ａ、１
２ｂ、受光素子１３ａ、’１３ｂによって構成されるプ
ルーフ・マスの偏位検出器及びＸ、Ｙ、Ｚの各軸の増幅
器１６，１７．１８によるフィードバック系により各コ
イルに電流を流すことにより発生する電磁力は、プルー
フ・マスの重心位置と同じ位置に発生することになり、
加速度によるプルーフ・マスの慣性力と各コイルによる
電磁力とのバランスが高精度で実現される。このため３
軸加速度の検出範囲内で任意の大きさ及び方向の加速度
が加わった場合にも、プルーフ・マスの慣性力は各コイ
ルにより発生した電磁力によって支持され、この慣性力
と電磁力のバランスによりフレックス・サポート１５に
力が掛かることはない。

このため、第４図に付した従来の１軸加速度検出器にお
いてはフレキシブルヒンジによりプルーフ・マスを加速
度の入力軸方向には剛性ができるだけ小さく、且つ入力
軸に直交する方向には充分な剛性を持たせるという相反
する要求を満たす必要があったが、本発明におっては電
磁力によりプルーフ・マスは３軸方向でバランスされる
ことから、３輔方向の剛性を小さくすることが可能であ
り、フレックス・サポート１５の剛性の温度変化及び経
時変化による零点や直線性の変動を少なくでき、この結
果、３軸加速度検出器の精度を大幅に向上することがで
きる。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明によれば、３軸方向の加
速度検出構造が一体化されていることから、従来の１軸
加速度検出器３個を一定の角度関係に取付具によって保
持した場合に比べ、部品点数を大幅に低減し、且つコン
パクトとすることができ、信頼性及び精度も大幅に向上
することができる。

また、従来の３軸加速度検出器に必ってはＸ。

Ｙ及びＺ方向のバランス用の電磁力を発生するため、多
数のコイルが必要であったが、本発明にあっては、Ｘ、
Ｙ及びＺ軸のそれぞれについて単一のコイルだけで済み
、コイル構造が大幅に簡略化されることで検出器自体の
小型化は勿論のこと組立及び調整等も極めて容易であり
、その結果、検出精度の高い性能的に優れた３軸加速度
検出器を得ることができる。

更に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の各コイルにより発生する電磁力の
作用中心をプルーフ・マスの重心に一致させていること
から、プルーフ・マスに作用する加速度による慣性力と
コイルへの通電で発生した電磁力とのバランスが優れ、
電磁力によるバランス状態でプルーフ・マスを支持して
いるフレックス・サポートに力が掛かることなく、この
ためプルーフ・マスを３軸方向に小さな剛性で支持する
ことができ、フレックス・サポートの支持剛性が小さい
ことから、温度変化、経時変化等による影響がなく、３
軸方向の各検出精度を大幅に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した組立分解図、第２図
は第１図のコイル組立体の収納部の断面図、第３図は第
２図の側面図、第４図は従来の１軸加速度検出器を示し
た説明図、第５図は従来の３軸加速度検出器のコイル構
造を示した説明図である。 １：ケース ２：受座 ３：磁石 ４ａ　〜４ｄ、５．６：ボール ７：保持具 ８：Ｙコイル ９：Ｘコイル １０：Ｚコイル １０ａ：Ｚコイル枠 １１ａ、”１１ｂ：発光素子 １２ａ、１２ｂ：レンズ １３ａ、１３ｂ：受光素子 （４分割受光ダイオード） １４：振子 １５：フレックス・サポート １６’、１７．１８：増幅器 ２０：支点 ２１．２２．２３．２４：導線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）３軸方向で微小偏位自在に支持され各軸方向の加
   速度に応じた慣性力を発生するプルーフ・マスと、該プ
   ルーフ・マスの重心位置を中心として前記慣性力に対し
   逆向きとなる３軸方向の電磁力を個別に発生する半径方
   向の磁界中に置かれた単一のＸコイル、Ｙコイル及びＺ
   コイルと、前記プルーフ・マスの加速度による３軸方向
   の偏位を個別に検出する偏位検出手段と、該偏位検出手
   段で検出した各軸方向の偏位を零に保つように前記各コ
   イルに電流を流して前記電磁力を慣性力にバランスさせ
   るサーボ制御手段とを備えたことを特徴とする３軸加速
   度検出器。
2. （２）前記Ｘコイルを半径方向に磁界を生ずる円筒状の
   磁極部材の直径方向に巻き回すと共に、前記Ｙコイルを
   該Ｘコイルに直交する位置で同じ直径方向に巻き回し、
   更に前記Ｚコイルを前記磁極部材の円周方向に円筒状に
   巻き回したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の３軸加速度検出器。