WO2007088764A1 - 振動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石とコイルとの相対移動を最適な範囲に規制することにより、出力およびＳ／Ｎ比を大きくすることができ、振動計測装置の精度と信頼性を向上させる。 【解決手段】ストッパ１４，２２により磁石２６の振動の振幅が規制され、磁石２６の下端面がコイル１３の中心と上端面とを超えることがない。このため、磁石２６は、常にその下端面がコイル１３の中心と上端面との間を往復するように振動し、コイル１３からは正確な余弦波が常に出力される。

Description

明 細 書

振動計測装置

技術分野

[0001] 本発明は、加速度センサや振動センサに適用される振動計測装置に係り、特に、 加速度が負荷されたときに自己発電して出力と S/N比の高い信号を発生する技術 に関する。

背景技術

[0002] 上記のような振動計測装置としては、例えば特許文献 1に開示されているように、磁 石からなる振動子とコイルを備え、振動する振動子の磁力線がコイルを横切って生じ る起電力により加速度ないし振動を検出する装置が知られている。このような振動計 測装置では、電源を常時供給している必要が無いため、極めて広範な用途に適用 すること力 Sできる。

[0003] 特許文献 1 :特開 2005— 351793号公報（要約書）

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] し力しながら、特許文献 1に記載されてレ、る技術では、磁石の他の極による逆方向 の起電力が発生して出力が小さくなつたり、また、出力の波形が乱れて S/N比が低 下するという問題があった。したがって、本発明は、磁石とコイルとの相対移動を最適 な範囲に規制することにより、出力および S/N比を大きくすることができ、振動計測 装置の精度と信頼性を向上させることを目的としている。

課題を解決するための手段

[0005] 本発明の振動計測装置は、磁石と該磁石の周囲に配置されたコイルと、磁石また はコイルを軸線方向へ相対的に移動自在に支持する支持手段とを備え、磁石または コイルが軸線方向に相対的に移動することでコイルに起電力を発生させる振動計測 装置において、支持手段は、磁石の一端部がコイルの内部に挿入されるように磁石 またはコイルを支持するとともに、磁石またはコイルの静止状態で、コイルの磁石側の 端面とコイルの軸線方向中心との中間部に磁石の端面を位置させることを特徴として いる。

[0006] 本発明では、磁石またはコイルの静止状態で、コイルの磁石側の端面とコイルの軸 線方向中心との中間部に磁石の端面を位置させているから、支持手段を適宜選定 することにより、磁石の端面がコイルの軸線方向中心を通過しないように磁石または コイルを振動させることができる。これが本発明の目的を達成する上で重要なポイント である。

[0007] すなわち、本発明者等の検討によれば、磁石の端面がコイルの中央部を横切ると、 出力の波形が乱れることが判明している。その理由は次のようなものと推察される。す なわち、図 1および図 2は本発明の作用を説明するための図であり、図 1 (A)は、磁 石が静止している状態、（B)は磁石が振動してその端面がコイルの軸線方向中心に 位置した状態、（C)は磁石の端面がコイルの端面に位置した状態を示す。この図に 示すように、（B)の状態のときにコイルに対する磁束の影響が最も強ぐ（C)の状態 のときにコイルに対する磁束の影響が最も弱レ、。

[0008] ここで、仮に磁石の端面がコイルの中心を通過すると仮定した場合、横軸をコイル の長さ、縦軸をコイルを横切る磁束の密度としたときに、磁束密度はコイルの中心で 最大値となる山型状をなす。したがって、起電力は磁束密度を時間で微分したもの であるから、起電力はコイルの中心で 0となる。このように、磁石の端面がコイルの中 心を通過する場合には、起電力が 0になる部分が増えて出力が低下するとともに、出 力波形が乱れて S/N比も低下する。したがって、本発明のように、磁石の端面がコ ィルの軸線方向中心を通過しない構成を採用することにより、図 2に示すように、出力 を正確な余弦波とすることができ、出力および S/N比を大きくすることができる。

[0009] ただし、本発明では、磁石の端面がコイルの軸線方向中心を通過しない構成を必 須とするものではなレ、。たとえば、設定された使用条件を超える大きな加速度が働い て磁石の端面がコイルの軸線方向中心を超えることも考えられる。そのような場合に 対処するために、コンピュータなどの制御手段により出力信号を解析し、出力信号を 無効と判断して適切な処理を行うようにすればよい。

[0010] あるいは、磁石およびコイルの相対的移動の範囲を規制する規制部材を備えること もできる。この規制部材は、磁石の一端面がコイルの軸線方向中心を超えないように 磁石またはコイルの相対的な移動を規制する。また、規制部材は、磁石の一端面が コイルの内部から出なレ、ように規制することが望ましレ、。磁石の一端面がコイルの内 部から出た状態では磁束密度が小さぐ大きな出力を得ることができない。

[0011] 前述のように、磁石の他の極による逆方向の起電力が発生すると出力が小さくなつ て好ましくない。そこで、磁石が振動した際に他の極がコイルの内部に揷入されない 構成が望ましい。そのためには、磁石の端面がコイルの中心に達したときに、磁石の 軸線方向中心がコイルの上端面を超えない位置に存在していればよいから、磁石の 端面がコイルの軸線方向中心とコイルの上端面との中間に位置するとともし、磁石の 中心がコイルの上端面を超えなレ、ように規制部材を設ければょレ、。規制部材としては 、移動する磁石またはコイルあるいはそれらの支持手段に当接するストツバを用いる こと力 sできる。

[0012] 本発明は、図 3 (A)に示すように、コイルに対して磁石が振動する構成に限定され るものではなぐ図 3 (B)に示すように、磁石に対してコイルが振動する構成を含む。 前者の場合には、例えば振動計測装置の近傍に磁石などの磁力を発するものが配 置されると、磁石の振動に影響を受けたり磁石が動かなくなってしまうことが考えられ る力 コイルが振動する構成ではそのような不都合は生じない。

[0013] 磁石またはコイルを支持する支持手段としては板パネやコイルパネ、空気パネなど を用いることができる。磁石を振動させる構成では、振動する磁石と反発する極を向 けた磁石を配置することもできる。コイルが振動する構成では、コイルをパネによって 装置本体に支持し、コイルの端子をパネに接続してコイルが発生する起電力を出力 として取り出すことができる。あるいは、柔軟性のある樹脂に導電性金属を設けたフレ キシブル配線や導電性樹脂からなる配線をコイルに接続することもできる。

発明の効果

[0014] 本発明によれば、磁石の端面がコイルの軸線方向中心を通過しないように磁石ま たはコイルを振動させることができるので、出力および S/N比を大きくすることができ 、振動計測装置の精度と信頼性を向上させることができる。

発明を実施するための最良の形態

[0015] 1.第 1実施形態 (1)振動計測装置の構成

図 4〜図 6を参照して本発明の第 1実施形態を説明する。図 5において符号 10は振 動計測装置の外郭の下部を構成するベースである。ベース 10の底部には、円板状 をなす磁気シールド 11が接着され、磁気シールド 11の上面中央にはガイドリング 12 が接着されている。ガイドリング 12の外周には、ボビン（図示略）に卷回されたコイル 1 3が接着され、ガイドリング 12の内側には、磁気シールド 11に接着されたストッパ（規 制部材） 14が配置されている。これらストッパ 14およびストッパ 22としては、非磁性で 樹脂製の緩衝材を用いることが好ましい。ストッパ 14およびストツバ 22を緩衝材とす ることで、磁石 26がストッパ 14およびストッパ 22に衝突した際に破損するのを防止す ること力 Sできる。

[0016] 図において符号 15は支持リングであり、その上端部には、内側へ向けて突出する 鍔部 15aが形成されている。また、符号 20はケーシングであり、ケーシング 20とべ一 ス 10により、振動計測装置の内部を完全に覆っている。ケーシング 20の頂部内面に は、磁気シールド 21が接着され、磁気シールド 21の中央部には、ストッパ（規制部材 ) 22が接着されている。磁気シールド 21の下面周縁部にはリング状をなすブッシュ 2 3が配置され、このブッシュ 23と支持リング 15の鍔部 15aによりダイヤフラム（支持手 段） 24が挟持されている。

[0017] 図 4は図 5に示す振動計測装置からケーシング 20およびブッシュ 23を取り外した状 態を示す平面図である。ダイヤフラム 24は金属製の薄板からなり、複数 (この実施形 態では 3つ）の溝 25が形成されてパネとしての機能を奏する。溝 25は、ダイヤフラム 2 4の外周寄りの部分から円周方向へ内周側へ屈曲しながら延在し、円周を一周する 手前で止まっている。このような溝 25により、ダイヤフラム 24の中央部は、図 5におい て上下方向に橈むことができる。そして、ダイヤフラム 24の中央部には、磁石 26が接 着されている。

[0018] 磁石 26の軸線方向の長さは、コイル 13の長さの半分よりもやや長く設定されている 。また、図 5に示すように、磁石 26の下端面は、静止状態においてコイル 13の軸線 方向中心とコイル 13の上端面の中心に位置している。磁石 26の振動の振幅はストツ パ 14, 22により規制され、この実施形態では、磁石 26の下端面がコイル 13の軸線 方向中心からコイル 13の上端面までの間で振動するように規制されている。なお、ガ イドリング 12は、磁石 26をガイドして円滑に振動させる。

[0019] より具体的には、磁石 26の軸線方向長さを Ml、コイル 13の軸線方向の長さを Cl、 磁石 26とストッノ 14とのギャップを G1とすると、磁石の長さ Mlとコイル 13の長さ C1の 関係は下記数 1で表され、コイル 13の長さ C1とギャップ G1との関係は下記数 2で表 すことができる。

[0020] (数 1)

M1≥1/2C1

(数 2)

G1≤1/4C1

[0021] 上記式を展開し、磁石 26の長さ Mlとコイル 13の長さ C1とギャップ G1との関係を求 める。まず、数 1の両辺に 1Z2を掛けた（1Z2M1≥1/4C1)を数 2に代入すると下 記数 3の関係が成り立つ。

(数 3)

G1≤1/4C1≤1/2M1

なお、磁石 26とストッパ 22とのギャップ G2は、 G1と同じ長さであることが望ましい。

[0022] (2)振動計測装置の動作

次に、上記構成の振動計測装置の動作について説明する。

振動計測装置は、各種装置の振動や加速度の検出に用いられる。振動計測装置 に振動が加えられると、磁石 26が図 5において上下に振動する。これにより、磁石 26 が発生する磁束がコイル 13を横切り、コイル 13に起電力が発生する。この起電力は 、コイル 13の端子から外部に取り出され、出力に応じた適宜な処理が行われる。

[0023] 上記振動計測装置では、使用可能な加速度の範囲が設定され、それは磁石 26の 下端面がコイル 13の中心とコイル 13の上端面との間を往復する振動が生じる範囲で ある。そのような振動が生じる加速度であれば、コイル 13からは正確な余弦波が常に 出力される。したがって、出力と SZN比を大きくして振動計測装置の精度と信頼性を 向上させることができる。し力 ながら、振動計測装置が組み込まれた装置を落下さ せるなど、意図せず大きな加速度を加わえてしまうことがある。この点、上記実施形態 では、磁石 26の振動の振幅がストッパ 14, 22により規制されているため、磁石 26の 下端面がコイル 13の中心と上端面とを超えることがなレ、。また、磁石 26の中心がコィ ノレ 13内に挿入されることもない。この場合において、磁石 26がストッパ 14, 22に衝 突した際に出力の波形に歪みが生じる力 磁石 26の下端面がコイル 13の中心を超 えたときのような大きな歪みは生じない。また、磁石 26の中心がコイル 13内に揷入さ れたときのような出力の低下は生じない。したがって、コイル 13からは余弦波に近似 した起電力が出力される。

[0024] 2.第 2実施形態

(1)振動計測装置の構成

次に、図 7〜図 9を参照して本発明の第 2実施形態について説明する。第 2実施形 態は、コイルを振動させるように構成した点で前記第 1実施形態と異なっている。図 8 におレ、て符号 30は振動計測装置の外郭の下部を構成するベースである。ベース 30 の底部には、円板状をなす磁気シールド 31が接着され、磁気シールド 31の上面中 央には磁石 36が接着されている。磁石 36の外周側には、磁気シールド 31に接着さ れたストッパ 34が配置されている。

[0025] 磁石 36の上端面にはスぺーサ 37が接着され、スぺーサ 37の上端面にはダイヤフ ラム 38が接着されている。図 7は図 8に示す振動計測装置からケーシング 40を取り 外した状態を示す平面図である。ダイヤフラム 38は金属製のリング状をなす薄板から なり、複数 (この実施形態では 3つ）の溝 39が形成されてパネとしての機能を奏する。 溝 39は、ダイヤフラム 38の外周寄りの部分から円周方向へ内周側へ屈曲しながら延 在し、円周を一周する手前で止まっている。このような溝 39により、ダイヤフラム 38の 外周部は、図 8において上下方向に橈むことができる。

[0026] ダイヤフラム 38の下面には、軸線を磁石 36の軸線と一致させたガイドリング 32が接 着され、ガイドリング 32の外周には、ボビン（図示略）に卷回されたコイル 33が接着さ れている。図において符号 40はケーシングであり、ケーシング 40とベース 30により、 振動計測装置の内部を完全に覆っている。ケーシング 40の頂部内面には、磁気シ 一ノレド 41力 S接着され、磁気シールド 41の下面周縁部には、ストッパ 42が接着されて いる。 [0027] 磁石 36の軸線方向の長さは、コイル 33の長さの半分よりもやや長く設定されている 。また、図 8に示すように、磁石 36の上端面は、コイル 33の軸線方向中心とコイル 13 の下端面の中間に位置している。コイル 33の振動の振幅はストッパ 34, 42により規 制され、この実施形態では、コイル 33が振動すると、コイル 33の軸線方向中心とコィ ル 33の下端面までの間の部分が磁石 36の上端面の前を通過するように規制されて いる。

[0028] (2)振動計測装置の動作

次に、上記構成の振動計測装置の動作について説明する。

振動計測装置に振動が加えられると、コイル 33が図 8において上下に振動する。こ れにより、磁石 36が発生する磁束をコイル 33が横切り、コイル 33に起電力が発生す る。この起電力は、コイル 33の端子から外部に取り出され、出力に応じた適宜な処理 が行われる。

[0029] 上記振動計測装置においては、前記第 1実施形態と同等の作用、効果を奏するこ とは勿論のこと、コイル 33を振動させる構成であるから、振動計測装置の近傍に磁石 などが配置されてもコイル 33の振動には影響を受けず、円滑に振動を検出すること ができる。

産業上の利用可能性

[0030] 本発明は、洗濯機などの振動を発生する装置の振動検出や、カーナビゲーシヨン システムやエアバッグ装置における加速度検出などに適用することができる。

図面の簡単な説明

[0031] [図 1]本発明の作用を説明するための図であって、コイルと磁石を示す断面図である

[図 2]本発明の作用を説明するための図であって、本装置への入力加速度とコイルか らの出力感度を示すグラフである。

[図 3] (A)は磁石を振動させる本発明の形態を示す断面図、（B)はコイルを振動させ る本発明の形態を示す断面図である。

[図 4]本発明の第 1実施形態の振動計測装置を示す平面図である。

[図 5]本発明の第 1実施形態の振動計測装置を示す断面図である。 [図 6]本発明の第 1実施形態の振動計測装置を示す分解斜視図である。

[図 7]本発明の第 2実施形態の振動計測装置を示す平面図である。

[図 8]本発明の第 2実施形態の振動計測装置を示す断面図である。

[図 9]本発明の第 2実施形態の振動計測装置を示す分解斜視図である。 符号の説明

13…コィノレ 13、 14…ストッパ（規制部材）、 22…ストッパ（規制部材）、 24· フラム（支持手段）、 26…磁石。

Claims

請求の範囲

[1] 磁石と該磁石の周囲に配置されたコイルと、前記磁石またはコイルを軸線方向へ相 対的に移動自在に支持する支持手段とを備え、前記磁石またはコイルが軸線方向に 相対的に移動することで前記コイルに起電力を発生させる振動計測装置において、 前記支持手段は、前記磁石の一端部が前記コイルの内部に揷入されるように前記磁 石またはコイルを支持するとともに、前記磁石またはコイルの静止状態で、前記コィ ルの前記磁石側の端面と前記コイルの軸線方向中心との中間部に前記磁石の端面 を位置させることを特徴とする振動計測装置。

[2] 前記磁石およびコイルの相対的移動の範囲を規制する規制部材を備え、この規制 部材は、記磁石の一端面が前記コイルの軸線方向中心を超えないように前記磁石ま たはコイルの相対的な移動を規制することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の 振動計測装置。

[3] 前記規制部材は、前記磁石の前記一端面が前記コイルの内部から出ないように規制 することを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の振動計測装置。

[4] 前記磁石は前記コイルの軸線方向長さの半分よりも長ぐこれにより前記磁石の軸線 方向中心が前記磁石の静止状態で前記コイルの内部に揷入されないことを特徴とす る請求の範囲第 2項に記載の振動計測装置。