JP2007139671A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の位置を検出する検出素子を用いた加速度センサであって、加速度、特に微小な加速度を高感度且つ高精度に測定することができ、且つ加速度測定方向以外のクロストークにより生じる測定誤差を抑制することができる加速度センサを得る。
【解決手段】加速度センサ１において、検出素子（ホール素子１０）をその感磁面上面１０ａが加速度測定方向Ａ１に対して平行となる向きで配置し、更に、非磁性ケース７を円筒形状をなすものとし、且つその内径を永久磁石９が磁性流体８ａ，８ｂを自然吸着する際の最大外径より僅かに大きいものとする。
【選択図】図１

Description

この発明は、測定対象の加速度を測定する加速度センサに関する。

例えば、特公平８−３４２０号公報（特許文献１）には、磁性流体を吸引保持した磁石を、傾斜により移動自在に平底の容器内に内蔵し、この容器に磁石の基準位置からの変位を検出するための検出コイルと磁石を基準位置へ引き戻すための駆動コイルとを巻回すると共に、駆動回路を設け、この駆動回路は容器の傾斜により磁石の移動に伴う検出コイルからの出力を入力して磁石の上記変位をゼロにするような駆動コイル付勢用の制御電流を出力するように構成し、この制御電流の大きさと符号を測定することによって平底容器の傾斜角を検出するように構成した傾斜角検出センサが開示されている。特許文献１の傾斜角検出センサは測定対象物の傾斜角を検出するものであるが、その技術は測定対象の加速度を測定する加速度センサとして応用することが可能である。

特公平８−３４２０号公報

前記特許文献１に開示の傾斜角検出センサにおいては永久磁石の移動を検出する磁気センサとして検出コイルを用いているが、磁気センサとしてはコイルとは別のものを用いることが考えられる。

例えば、特公平６−９７２３６号公報（特許文献２）には、磁性流体と、磁性流体中に移動可能に配置された永久磁石と、永久磁石及び磁性流体が封入され、その内容積形状により磁性流体の形状を支配する非磁性ケースと、永久磁石の位置を検出する検出手段と、検出手段の信号を処理する処理回路とからなる加速度センサにおいて、永久磁石の位置を検出する検出手段としてホール素子を用いることが開示されている。
特公平６−９７２３６号公報

前記特許文献２に開示の加速度センサにおけるホール素子は、感磁面を貫く垂直方向の磁界を検出する所謂横型のものであり、加速度測定方向である棒状の永久磁石の両磁極の並び方向に対し感磁面を垂直に向けて配置されており、即ち、棒状の永久磁石に対して、その磁界の方向に対して略垂直に向けて配置されており、向きとしては最も大きく垂直方向の磁界成分を印加され得る向きになっている。

しかしながら、加速度センサにおいて、ホール素子が前記特許文献２に開示の加速度センサにおける様に加速度測定方向である永久磁石の両磁極の並び方向に対して感磁面を垂直に向けて配置されている場合、ホール素子に印加される磁束密度が大きくなるので、ホール素子の出力も大きくなるが、ホール素子の出力が大きいがために、永久磁石の位置の変化に対するホール素子の出力の変化率は逆に小さくなってしまい、例えば、永久磁石の微小な位置の変化に対しては、即ち磁束密度の微小な変化に対しては、ホール素子の出力の変化が小さ過ぎて、それを量として、即ち加速度として捉えるのが困難なことがある。

ところで、近年、各種電子機器等に用いられる加速度センサは、機器の小型化・精密化に伴い、微小な加速度であっても、より高感度に、より高精度に測定できることが要求されている。

又、加速度センサにおいて測定精度を高める場合、加速度測定方向以外のクロストークにより生じる測定誤差を抑制することが考えられる。

従って、この発明の目的は、ホール素子等の検出素子を用いた加速度センサであって、加速度、特に微小な加速度を高感度且つ高精度に測定することができ、且つ加速度測定方向以外のクロストークにより生じる測定誤差を抑制することができる加速度センサを得ることを目的とする。

前記目的を達成するこの発明について述べれば、それは、非磁性ケースと、磁性流体と、該磁性流体を吸着して該非磁性ケース内を移動する永久磁石と、該永久磁石の位置を検出する検出素子と、該非磁性ケースに巻き付けられ、該検出素子の出力に基づき該永久磁石を元位置に保持するための電磁力を発生する駆動コイルと、該駆動コイルの印加電流を制御するサーボ回路とを有する検出部を備え、更に、該検出部を覆い、外部からの磁場を遮蔽する内部ケースを備える加速度センサであって、該検出素子をその感磁面が該永久磁石の両磁極の並び方向に対して平行となる向きで配置し、更に、該非磁性ケースを円筒形状をなすものとし、且つその内径を該永久磁石が該磁性流体を自然吸着する際の最大外径より僅かに大きいものとすることを特徴とする加速度センサ、である。

更に前記目的を達成するこの発明について述べれば、それは、非磁性ケースと、磁性流体と、該磁性流体を吸着して該非磁性ケース内を移動する永久磁石と、該永久磁石の位置を検出する検出素子と、該非磁性ケースに巻き付けられ、該検出素子の出力に基づき該永久磁石を元位置に保持するための電磁力を発生する駆動コイルと、該駆動コイルの印加電流を制御するサーボ回路とを有する検出部を備え、更に、該検出部を覆い、外部からの磁場を遮蔽する内部ケースを備える加速度センサであって、該検出素子は、感磁面が該永久磁石の両磁極の並び方向に対して平行となる向きで配置され、該永久磁石の両磁極の並び方向の位置を検出する第１の検出素子と、感磁面が該永久磁石の両磁極の並び方向に対して垂直となる向きで配置され、該永久磁石の両磁極の並び方向に対して垂直の方向の位置を検出するクロストーク補償用の第２の検出素子とを含むことを特徴とする加速度センサ、である。

又前記この発明の加速度センサにおいて、例えば、該内部ケースは、導電性ゴム材料による成形体とし、少なくとも該非磁性ケースと該検出素子が実装されている基板とを内部に保持した状態で、筐体内に固定されるものとすることができる。

この発明の加速度センサにおいては、検出素子をその感磁面が永久磁石の両磁極の並び方向に対して平行となる向きで配置することで、検出素子に印加される磁束密度は感磁面が永久磁石の両磁極の並び方向に対して垂直となる向きで配置した場合に比すれば小さくはなるものの、検出素子の出力において生じる電位差は大きくすることができるので、その大きな電位差によって、磁束密度の微小な変化に対してであっても、その変化を量として捉えるのを容易にすることができ、即ち、微小な加速度に対しても、高感度且つ高精度にそれを測定することができ、且つ、非磁性ケースを円筒形状をなすものとし、その内径を永久磁石が磁性流体を自然吸着する際の最大外径より僅かに大きいものとすることで、永久磁石が非磁性ケースの径方向へ動くのを抑制することができ、即ち、永久磁石が加速度測定方向以外に動くのを抑制することができ、加速度測定方向以外のクロストークにより生じる測定誤差を抑制することができる。

尚、前記特許文献２にはその第１７図に磁性流体ケースを永久磁石外径よりわずかに大きなものとすることが開示されている。これによれば、永久磁石の径方向への移動を抑制することができ、即ち加速度測定方向以外のクロストークの発生を抑制することができると考えられる。しかしながら、特許文献２に開示の加速度センサは、磁性流体ケース内を磁性流体により満充填するものであり、そのため、磁性流体を磁性流体ケース内に注入する際には、予め磁性流体ケース内をエア抜きしなければならず、従って、工数が多く組み立てが容易ではない。

この発明の加速度センサにおいては、非磁性ケースの内径を磁性流体の最大外径より僅かに大きいものとすることで、非磁性ケースと磁性流体との間に僅かな隙間を形成することができ、永久磁石が非磁性ケース内を移動する際に、非磁性ケース内の空気を隙間を介して前後に流動可能とすることができるので、非磁性ケース内の空気が永久磁石の両磁極の並び方向への移動の妨げにならない様にすることができる。即ち、この発明の加速度センサは、非磁性ケースの形状により永久磁石が加速度測定方向以外に動くのを抑制することができるものでありながら、加速度センサの組み立てに際し、非磁性ケース内のエア抜きをする必要が無いものとすることができる。

又、この発明の加速度センサにおいては、永久磁石の位置を検出する検出素子を、感磁面が永久磁石の両磁極の並び方向に対して平行となる向きで配置され、該永久磁石の両磁極の並び方向の位置を検出する第１の検出素子と、感磁面が永久磁石の両磁極の並び方向に対して垂直となる向きで配置され、該永久磁石の両磁極の並び方向に対して垂直の方向の位置を検出するクロストーク補償用の第２の検出素子とを含むものとすることで、第１の検出素子の出力と第２の検出素子の出力の比率を求めることで、該永久磁石の両磁極の並び方向、即ち加速度測定向の変化分のみを検出することができ、即ち、加速度測定方向以外のクロストークにより生じる測定誤差を抑制することができる。

この発明の実施の形態を添付図面に基づき説明する。

[第１の実施の形態]
この発明の第１の実施の形態を図１乃至図６に基づき説明する。尚、図１は、この発明の加速度センサの断面図であり、図２は同上の図１Ｂ−Ｂ線矢視断面図であり、図３は、同上の図１Ａ−Ａ線矢視断面図であり、図４は同上の検出部の内部構造の模式図であり、図５は同上の回路構成を示すブロック図であり、図６は同上の動作フロー図である。

図１乃至４において、加速度センサ１は、内部ケース蓋３によって閉じられた内部ケース箱２内に、加速度を検出する検出部４が収容されている。検出部４は、内部ケース箱２内に固定して設けられる回路基板５と、回路基板５上に固定して設けられる基台６と、基台６に支持される円筒形状の非磁性ケース７と、非磁性ケース７内に磁性流体８ａ，８ｂを吸着した状態で封入される棒状の永久磁石９と、非磁性ケース７の外部に位置し、回路基板５に実装される永久磁石９の位置を検出するホール素子１０と、非磁性ケース７内の永久磁石９の両磁極端をそれぞれ包囲する様に、非磁性ケース７に巻き付けられる一対の駆動コイル１１ａ，１１ｂとを有している。

非磁性ケース７の内部に収容される永久磁石９は、その長さ方向両端に磁極端を有し、両磁極端が吸着した磁性流体８ａ，８ｂにより非磁性ケース７内において浮上し、両磁極の並び方向Ａ１（即ち本形態においては永久磁石９の長さ方向）に移動可能となっている。

ホール素子１０は、感磁面を貫く垂直方向の磁界を検出する所謂横型のものであるが、その感磁面上面１０ａが永久磁石９の両磁極の並び方向Ａ１に対して平行となる向きで配置されており、永久磁石９からの磁束密度が印加され、永久磁石９の両磁極の並び方向Ａ１への移動によって生じる磁束密度の変化を検出可能となっており、駆動コイル１１ａ，１１ｂは、ホール素子１０からの出力に基づいて印加される電流が制御されて、永久磁石９を元位置（無負荷状態のときの位置）に保持するための電磁力を発生する様になっており、検出部９は、駆動コイル１１ａ，１１ｂへの印加電流に基づき、永久磁石９の両磁極の並び方向Ａ１に発生する加速度を検出することができる様になっている。

即ち、加速度センサ１は、永久磁石の９の両磁極の並び方向Ａ１を加速度測定方向とするものである。

尚、本形態において、永久磁石９は、材質をネオジウム、サマリウム、コバルトとし、形状を円柱（Φ２×５ｍｍ）とし、その長さ方向中間を境にＳ／Ｎ極を有する棒磁石であり、その表面磁束密度は２５０ｍＴのものを用いており、磁性流体８ａ，８ｂは、粒子材質を酸化鉄とし、粒径を１００Å（１Åは０．１ｎｍ）とし、ベースオイルは石油系で、粘度は１ｍＰａ・ｓオーダーのものを用いており、ホール素子１０は、ＩｎＳｂやＧａＡｓなどの化合物半導体のものを用いており、非磁性ケース７は、材質はガラスとし（樹脂としてもよい）、形状は円筒のものを用いており、内部ケース箱２は導電性ゴム材料による成形体を用いている。また、ホール素子の代わりにＭＲ素子等を使用してもよい。

検出部４における回路構成は、例えば図５に示す通りであり、電源回路Ｃ１には、磁石位置検出回路Ｃ２、増幅回路Ｃ３、サーボ回路、即ち駆動コイル回路Ｃ４、信号出力回路Ｃ５が接続されており、磁石位置検出回路Ｃ２、即ちホール素子１０からの出力は増幅回路Ｃ３を経て駆動コイル回路Ｃ４に出力され、駆動コイル回路Ｃ４からの出力は磁石位置検出回路Ｃ２にフィードバックされるとともに加速度信号を出力する信号出力回路Ｃ５に出力される構成となっており、当該回路構成における動作フローは図６に示す通りであり、即ち、磁石の変位Ａ１が０の状態（Ｐ１）から加速度の有無を判断（Ｐ２）し、磁石の変位がある場合（Ｐ３）は、ホール素子１０の出力が変化し（Ｐ３）、その出力信号は増幅回路Ｃ３で増幅され（Ｐ４）、駆動コイル回路Ｃ４において、磁石の変位を０にするサーボをかける様に駆動コイルへの印加電流を制御しつつ（Ｐ５）、駆動コイルへの印加電流に基づく加速度信号を出力する（Ｐ６）こととなる。

ホール素子１０は、前記の如く、所謂横型のものであるが、その感磁面上面１０ａが永久磁石９の両磁極の並び方向Ａ１に対して平行となる向きで配置されている。従って、ホール素子１０は、感磁面１０ａが永久磁石９の磁界の方向に対して接線方向となるので、印加される磁束密度は感磁面１０ａが永久磁石９の両磁極の並び方向Ａ１に対して垂直となる向きで配置される場合に比すれば小さくはなるものの、ホール素子１０において生じる電位差としては逆に大きくすることができるので、その大きな電位差によって、磁束密度の微小な変化に対してであっても、その変化を量として捉えるのを容易にすることができ、即ち、微小な加速度に対しても、高感度且つ高精度にそれを測定することができる。又、更に述べれば、ホール素子１０の出力における大きな電位差、即ち出力の大きな変化率は、増幅回路、サーボ回路等の周辺回路において信号として処理し易いので、検出部４における回路構成を簡単なものとすることができる。

本形態において、ホール素子１０は、図４に詳細に示す様に、永久磁石９の側方に感磁距離調整用間隔Ｔ２を介して永久磁石９より離間して配置しており、ホール素子１０と永久磁石９の離間距離の範囲は、永久磁石９の両磁極の並び方向中心軸Ｘとホール素子１０の感磁面底面１０ｂとの間の組み品における垂直距離Ｔ１の範囲により決定すれば、本形態における表面磁束密度が２５０ｍＴの永久磁石９の場合は、好ましくは垂直距離Ｔ１は最短乃至最長で２乃至６ｍｍであり、この好ましい垂直距離Ｔ１の範囲は、ホール素子１０と永久磁石９との離間距離を、永久磁石９の両磁極の並び方向Ａ１への移動に対してホール素子９が検出する磁束密度が正比例して変化する範囲内のものであって、且つホール素子１０が磁束密度の変化を十分に検出することができる範囲内のものとするという観点から得たものであり、具体的には、ホール素子１０に印加される磁束密度の変化と垂直距離Ｔ１の変化との比の好ましい範囲、即ち１２５ｍＴ／ｍｍ（最短）乃至４１．７ｍＴ／ｍｍ（最長）の範囲から得たものである。

又、ホール素子１０は、永久磁石９が元位置より両磁極の並び方向Ａ１において何れかの磁極の側に移動する際に、永久磁石９の両磁極間の中間を境に、ホール素子１０に印加される磁束密度における磁気ベクトルの方向が上下に反転することを利用し、永久磁石９の一方の磁極の側への移動に対しては正の電位を出力し、永久磁石の他方の磁極の側への移動に対しては負の電位を出力する様にしてあり、これによれば、ホール素子１０からの出力信号を駆動コイル回路等の周辺回路において処理し易いものとすることができるので、ホール素子１０からの出力に対して、即ち永久磁石９の両磁極の並び方向Ａ１の移動に対して、直ちに駆動コイル１１ａ，１１ｂに印加する電流を制御することができ、即ち直ちに永久磁石９を元位置に戻す様にサーボをかけることができ、センサとしての応答性を高くすることができる。

本形態において、非磁性ケース７は前記の様に円筒形状をなすものであるが、その内径Ｄは、永久磁石９が磁性流体８ａ，８ｂを自然吸着する際の最大外径Ｒより僅かに大きいものとしている。従って、非磁性ケース７の形状により、永久磁石９が非磁性ケース７の径方向Ａ２へ動くのを抑制することができ、即ち、永久磁石９がその長さ方向（両磁極の並び方向Ａ１）以外、即ち加速度測定方向以外に動くのを抑制することができ、加速度測定方向以外のクロストークにより生じる測定誤差を抑制することができつつ、非磁性ケース７と磁性流体８ａ，８ｂとの間に僅かな隙間を形成することができることから、永久磁石９が非磁性ケース７内を移動する際に、非磁性ケース７内の空気を隙間を介して永久磁石９の長さ方向（両磁極の並び方向Ａ１）に沿って前後に流動可能とすることができ、非磁性ケース７内の空気が永久磁石９の長さ方向（両磁極の並び方向Ａ１）への移動の妨げにならない様にすることができる。即ち、本形態において、加速度センサ１は、非磁性ケース７の形状により永久磁石９が検出方向Ａ１以外に動くのを抑制することができつつも、加速度センサ１の組み立てに際し、非磁性ケース７内のエア抜きをする必要が無いものとすることができる。

[第２の実施の形態]
この発明の第２の実施の形態を図７に基づき説明する。尚、図７は前記第１の実施の形態における図４に相当する図である。

第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態との構成上の相違点はクロストーク補償用のホール素子１２を設けている点にある。即ち、図７に示す様に、第２の実施の形態における加速度センサ１は、ホール素子１０に加えて、感磁面上面１２ａが永久磁石９の両磁極の並び方向Ａ１に対して垂直となる向きで配置され、永久磁石９の両磁極の並び方向Ａ１に対して垂直の方向Ａ２の位置を検出するクロストーク補償用ホール素子１２を備えている。

クロストーク補償用ホール素子１２は、感磁面上面１２ａをホール素子１０の感磁面１０ａと直交させる配置としており、永久磁石９の両磁極の並び方向Ａ１に対して垂直の方向Ａ２の移動、即ち加速度測定方向以外のクロストークを検出するものである。回路構成の説明は省略するが、加速度測定方向以外のクロストークを検出するクロストーク補償用ホール素子１２を設けることにより、ホール素子１０の出力とクロストーク補償用ホール素子１２の出力の比率を求めることで、加速度測定方向の変化分のみを検出することが可能となる。従って、第２の実施の形態によれば、この発明の加速度センサ１はクロストークによる測定誤差を可及的に抑制することができる。また、双方の出力値の差から加速度測定方向の変化分を求めてもよい。

この発明の第１の実施の形態における加速度センサの断面図である。 図１Ｂ−Ｂ線矢視断面図である。 図１Ａ−Ａ線矢視断面図である。 同上の検出部の内部構造の模式図である。 同上の回路構成を示すブロック図である。 同上の動作フロー図である。 この発明の第２の実施の形態における加速度センサの検出部の内部構造の模式図である。

符号の説明

１ 加速度センサ
２ 内部ケース箱
３ 内部ケース蓋
４ 検出部
５ 回路基板
６ 基台
７ 非磁性ケース
８ａ 磁性流体
８ｂ 磁性流体
９ 永久磁石
１０ ホール素子
１０ａ 感磁面上面
１０ｂ 感磁面底面
１１ａ 駆動コイル
１１ｂ 駆動コイル
１２ クロストーク補償用ホール素子
１２ａ 感磁面上面
Ｔ１ 垂直距離
Ｔ２ 感磁距離調整用間隔

Claims (3)

1. 非磁性ケースと、磁性流体と、該磁性流体を吸着して該非磁性ケース内を移動する永久磁石と、該永久磁石の位置を検出する検出素子と、該非磁性ケースに巻き付けられ、該検出素子の出力に基づき該永久磁石を元位置に保持するための電磁力を発生する駆動コイルと、該駆動コイルの印加電流を制御するサーボ回路とを有する検出部を備え、更に、該検出部を覆い、外部からの磁場を遮蔽する内部ケースを備える加速度センサであって、該検出素子をその感磁面が該永久磁石の両磁極の並び方向に対して平行となる向きで配置し、更に、該非磁性ケースを円筒形状をなすものとし、且つその内径を該永久磁石が該磁性流体を自然吸着する際の最大外径より僅かに大きいものとすることを特徴とする加速度センサ。
2. 非磁性ケースと、磁性流体と、該磁性流体を吸着して該非磁性ケース内を移動する永久磁石と、該永久磁石の位置を検出する検出素子と、該非磁性ケースに巻き付けられ、該検出素子の出力に基づき該永久磁石を元位置に保持するための電磁力を発生する駆動コイルと、該駆動コイルの印加電流を制御するサーボ回路とを有する検出部を備え、更に、該検出部を覆い、外部からの磁場を遮蔽する内部ケースを備える加速度センサであって、該検出素子は、感磁面が該永久磁石の両磁極の並び方向に対して平行となる向きで配置され、該永久磁石の両磁極の並び方向の位置を検出する第１の検出素子と、感磁面が該永久磁石の両磁極の並び方向に対して垂直となる向きで配置され、該永久磁石の両磁極の並び方向に対して垂直の方向の位置を検出するクロストーク補償用の第２の検出素子とを含むことを特徴とする加速度センサ。
3. 該内部ケースは、導電性ゴム材料による成形体とし、少なくとも該非磁性ケースと該検出素子が実装されている基板とを内部に保持した状態で、筐体内に固定されるものとすることを特徴とする請求項１又は２に記載の加速度センサ。

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