JPH1138035A

JPH1138035A - 加速度センサ

Info

Publication number: JPH1138035A
Application number: JP21004997A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Nomura; 章博野村; Kenichi Sadakane; 健一貞包; Shinji Yamashita; 慎次山下; Iwao Sasaki; 巌佐々木
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】外部磁界の強さに勾配があっても微小加速度
を正確に検出でき、永久磁石と磁気センサ間のギャップ
を容易に調整できる加速度センサを提供する。【解決手段】器枠１の内側に設けられ、加速度の測定
方向に沿う直動軸受３をそなえた案内筒１１と、永久磁
石５１、５２をそなえ直動軸受３の摺動面に沿って移動
する可動体２と、永久磁石５１、５２に対向して器枠１
に取り付けられた磁気センサ６１、６２と、可動体２を
摺動面の基準位置に保持させる保持ばね４１、４２と、
加速度演算部７とを備えた加速度センサには、一対の永
久磁石５１、５２の極性が加速度の方向と同じ方向に設
定してあり、永久磁石５１、５２と磁気センサ６１、６
２間のギャップを容易に調整するギャップ調整用ネジ９
１、９２が設けてある。これにより、外部磁界の強さに
勾配が存在しても微小加速度を正確に検出でき、永久磁
石と磁気センサ間のギャップを容易に調整できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗素子若し
くはホール素子またはフラックスゲートなどの磁気セン
サと永久磁石を対向させ、加速度による相互の変位量に
応じた磁気センサ出力の変化によって加速度を検出する
加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気センサを用いて加速度を検出
する加速度センサは、加速度によって撓む材質の片持梁
の先端部あるいは両持梁の中央部に永久磁石を取り付
け、この永久磁石を挟んで両側に前記永久磁石と対向す
る磁気抵抗素子を対称位置に設け、両方の磁気センサ出
力を加算して加速度を演算するようにしたものが提案さ
れている（例えば、特公平７−７０１２号公報）。すな
わち、図６に示すように、片方を固定して加速度によっ
て撓む可撓梁８１の先端に永久磁石５３を取り付け、こ
の永久磁石５３に対向させて磁気抵抗素子などの磁気セ
ンサ６３、６４を対称位置に配置し、加速度によって可
撓梁８１が撓んで、質量ｍの永久磁石５３が移動し磁気
センサ６３、６４に対する変位量ｘを生じたときに、加
速度ＧをＧ＝ｋｘ／ｍ（ｋは比例定数）によって検出するようにしている。なお、磁気センサ６
３、６４を対称位置に設けて、両方の検出信号を加速度
演算部７１に逆極性で加算し、２倍の出力を得るように
している。また、図７のように、可撓梁８２の両端を支
持させ、中央部の両面に永久磁石５４、５５を設け、こ
の永久磁石５４、５５にそれぞれ対向させて固定部に磁
気センサ６５、６６をそなえて両方の出力を逆極性で加
算するようにしたものも提案されている。このような構
成の加速度センサに外部から加速度が印加されると、加
速度の大きさに応じて可撓梁８２が測定する加速度の方
向すなわち鉛直方向に変位する。このとき可撓梁８２に
装着されている永久磁石５４、５５が発する漏れ磁界に
よって磁気センサ６５、６６の出力が変化する。この磁
気センサ６５、６６の差動出力が加速度演算部７２に入
力され加速度が演算される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の加速度センサの構造においては、片持ちにした可撓
梁８１の先端に設けた永久磁石５３が、可撓梁８１の根
元を中心にした円弧状に変位するので、磁気センサ６
３、６４に対する永久磁石５３の動きが円弧状になって
測定しようとする加速度に対して直線状に移動しないの
で、測定方向以外の加速度成分が含まれて測定精度に影
響し、大きな加速度が加わった場合のように可撓梁８１
の変位が大きくなるほどその影響が大きくなるという問
題があった。また、可撓梁を板状にして両端で支持させ
た両持梁とし、中央部に永久磁石を取り付けた加速度セ
ンサの構造は、外部磁界の強さに勾配が存在する磁界中
で永久磁石５４、５５を設けた可撓梁８２が加速度によ
り変位を生じて運動すると、磁気センサ６５、６６が外
部の磁界の変化を検出し加速度信号と異なる誤った信号
出力をする。図８に加速度センサに０．１ｍｍの変位を
与えたときのセンサ信号出力の周波数特性を示す。変位
周波数が小さいとき加速度が小さいため、加速度による
可撓梁８２の変位による永久磁石５４、５５の作る磁界
の変化による信号成分よりも強さに勾配を持つ外部磁界
中を変位するために磁気センサ６５、６６６が検出する
ノイズ成分の方が大きい。そのため、低周波数において
は加速度信号が小さくなる。相対的にノイズ信号のゲイ
ンが大きくなりセンサの周波数特性は平坦なものとはな
らず低周波数においてゲインが大きくなる。０．１ｍｍ
の変位に対しては図８のｆｃが加速度センサにより測定
できる低周波数限界である。すなわち、この加速度セン
サにおいては、加速度Ｇを（２πｆｃ）²×０．１×１０^-3［ｍ／ｓｅｃ²］以下では測定することはできないという問題があった。
さらに、加速度センサの本体組立時や保守・調整時にお
いて、永久磁石と磁気センサ間のギャップ調整は、数種
類の薄い円盤状のスペーサを用意しておきスペーサの組
み合わせを変えることによって行っており、永久磁石と
磁気センサの取付状態によりスペーサを異なる寸法に加
工するなどの工数が増える上、組立ての煩雑さ、加工に
手間がかかるという問題があった。そこで、本発明の第
１の目的は、測定方向の加速度のみを正確に検出できる
差動検出型の加速度センサを提供することにある。ま
た、第２の目的は、外部磁界の強さに勾配が存在する状
態においても微小加速度を正確に検出することができ、
永久磁石と磁気センサ間のギャップを容易に調整するこ
とができる加速度センサを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次のような構成にしたものである。 (1) 器枠と、この器枠の内側に設けられ加速度の方向
に移動する可動体と、この可動体の移動方向の両端に備
えた一対の永久磁石と、前記可動体を前記器枠の基準位
置に保持させる保持ばねと、前記永久磁石に対向して前
記器枠に取り付けられた磁気センサと、前記永久磁石の
変位によって生じる漏れ磁界の変化を前記磁気センサで
検出してその検出値から前記永久磁石に加わった加速度
を演算する加速度演算部とを備え、加速度により前記可
動体を前記保持ばねに抗して前記器枠の基準位置から移
動させて、前記永久磁石と前記磁気センサとの対向位置
を変位させる加速度センサにおいて、前記一対の永久磁
石は、その極性を加速度の方向と同じ方向に揃えて設定
したことを特徴とする。 (2) (1) において、前記可動体は、その外周面を直動
軸受を介して前記器枠の内部に取り付けた案内筒に案内
支持され、前記保持ばねを、コイル状として前記永久磁
石と前記直動軸受との間に設けたものである。 (3) (1) において、前記保持ばねは、前記器枠の内側
にその両端もしくは一端が固定されると共に加速度の方
向に撓むことのできる板状のものからなる。 (4) (1) から(3) までの何れか一つにおいて、前記磁
気センサは、前記永久磁石とのギャップを調整するギャ
ップ調整用ネジを取り付けたセンサ基板に設けられたも
のである。 (5) (1) から(4) までの何れか一つにおいて、前記磁
気センサは、磁気抵抗素子としたものである。上記手段によって、差動信号がとれるように並べる永久
磁石の磁極方向を加速度の方向と同じ方向に揃えること
により、外部磁界に強さの勾配が存在しても加速度セン
サ出力は一定の直流電圧成分となり、勾配を測定するこ
とで補正することができ、微小加速度を正確に検出でき
る。また、加速度が加えられたときに、永久磁石を直動
軸受の摺動面に沿って直線方向に移動させるようにして
あるので、永久磁石を備えた可動体の移動により、測定
方向のみの正確な加速度を検出することができ、また、
小形で高性能の加速度センサを得られる。また、永久磁
石とセンサ基板上の磁気センサ間のギャップ調整を行う
ようにしたので、ギャップ調整が容易にでき、加速度セ
ンサの組立、調整時の煩雑さがなくなる。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施例に
基づいて詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例
を示す側断面図である。１は器枠、１１は器枠１内に軸
心を測定する加速度の方向（図の矢印方向）に合わせて
設けた案内筒、２は可動体で、外周面に摺動面を形成
し、後述する直動軸受に擂動可能なように該直動軸受に
挿通させている。２１は可動体２の両端に設けた重錘、
３は案内筒１１の内側に固定された直動軸受、４１、４
２は直動軸受３の固定部と重錘２１との間に介挿した保
持ばね、５１、５２は可動体２の上方の端面および、下
方の端面に取り付けた永久磁石、６１、６２は可動体２
に取り付けた永久磁石５１、５２と対向させた磁気セン
サで、器枠１の上方内面に固着させており、磁気抵抗素
子が用いられている。７は磁気センサの出力から加速度
を演算する加速度演算部である。このような構成におい
て、本発明では永久磁石５１、５２は、従来の加速度セ
ンサにおいて特に指定がなかった一対の磁石の極性
Ｐ_m1、Ｐ_m2を加速度の方向と同じ方向（図の上方をＮ
極、下方をＳ極）に揃えて設定したことを特徴としてい
る。次に、動作について説明する。加速度が加わってい
ない状態では保持ばね４１、４２が平衡した位置で可動
体２を保持しており、加速度が加わると、可動体２が加
速度の方向に応じて一方の保持ばねを圧縮させ他方の保
持ばねを伸長させて案内筒１１に設けた直動軸受３に沿
って移動し、永久磁石５１、５２の一方が対向する磁気
センサから離れ、他方が他方の磁気センサに接近する。
これにより磁気センサ６１、６２の出力が相互に変動
し、両方の検出信号により移動する軸方向の加速度の方
向と大きさを演算検出する。したがって、可動体２は案
内筒１１の直動軸受３の摺動面に沿って加速度の測定方
向にのみ摺動して移動するので、測定方向以外の加速度
成分は検出されず、可動体の質量と保持ばねのばね定数
を適宜に選定できるので、小形で精度の良い加速度セン
サを得られる。なお、磁気センサは磁気抵抗素子に替え
てホール素子またはフラックスゲートなどを用いても構
わない。また、直動軸受はすべりまたは転がりのどちら
の軸受でも良く限定されない。

【０００６】また、本発明における特徴の一つである、
永久磁石の極性の影響による動作を説明するために、永
久磁石５１、５２の磁極配置と磁気センサ６１、６２の
特性の関係を実際に確認している。図２の（ａ）〜
（ｄ）は永久磁石の磁極配置と磁気センサの特性の関係
を示し、磁束密度の勾配を持つ上向き矢印方向の外部磁
界が存在するときの信号処理回路を含めた模式図であ
る。外部磁界の極性はＰ_meとする。なお、図２における
加速度センサの基準位置Ｘ_oからの変位Ｘは、図３に示
すように外部磁界の勾配が存在するものとする。図２に
おいて、２とおりの永久磁石５１、５２の磁極配置と、
２とおりの磁気センサ６１、６２の検出の特性が考えら
れるため、これらの組み合わせにより合わせて４とおり
の永久磁石の磁場配位（図中点線矢印で示す、Ｐ_m1、Ｐ
_m2）及び磁気センサの検出特性（図中実線矢印で示す、
Ｐ_S1、Ｐ_S2）の組み合わせとした。但し、磁場の方位が
逆の場合および磁気センサの検出特性が逆の場合を考え
るとその組み合わせは１６とおりになるが、基本的な組
み合わせの４とおりで考える。また、図中記号のＤＣは
加速度センサの内部の磁石による直流電圧成分を示し、
Ｓは加速度信号成分を、ＪＮは外部磁界の強さの勾配に
よる影響による特性を示している。次に、図２の（ａ）
〜（ｄ）の４とおりについて、直流電圧成分、加速度信
号成分、外部磁界の強さの勾配による影響を信号処理回
路後の様子で比較する。なお、磁気センサの検出電圧
は、磁界方向と磁気センサの検出特性方向が同じとき正
の電圧を発生し、逆のとき負の電圧を発生するものとす
る。今、加速度センサが基準位置からΔｘ移動する場合
であって、重錘２１が図２中の鉛直上方に変位すると
き、直流電圧成分、加速度信号成分、外部磁界の強さの
勾配による影響は次のようになる。すなわち、（ａ）の
場合、磁気センサ６１、６２のＤＣは共にマイナス電圧
となり、重錘２１の移動により磁気センサの６１のＤＣ
は減少し磁気センサ６２のＤＣは増加する。直流電圧成
分（ＤＣ）を除き加速度信号成分（Ｓ）を得るために加
速速演算部７の極性は逆極性としなければならない。そ
の結果Δｘの距離の移動により外部磁界の検出電圧は２
ａＢ_oであったものが２ａｋΔｘ＋２ａＢ_oの電圧変化
となる。ここでＢ_oは移動前の加速度センサの中心位置
における磁束密度、ａは磁気センサの感磁係数、ｋは外
部磁束密度の勾配係数を示す。また、（ｂ）についても
同様になる。この場合直流電圧成分ＤＣを除き加速度信
号成分Ｓを得るためには加速度演算部７の極性は同極性
でなければならない。このように図（ａ）、（ｂ）の場
合、加速度センサ出力は、外部磁界の強さの勾配の影響
により変位量Δｘに比例した電圧変化をする。一方、
（ｃ）、（ｄ）の場合外部磁界の強さの勾配の影響によ
り加速度センサの出力の変化は変位量Δｘの大きさによ
らず、−２ａｋＬ（２Ｌは加速度センサの長さを表す）
となる。すなわち外部磁界の強さの勾配を持つことによ
る加速度センサ出力は一定の直流電圧となりａ、ｋ、Ｌ
が分かれば補正することができる。したがって、上記に
述べたように一対の永久磁石５１、５２の極性を同じ方
向とすることにより、永久磁石５１、５２による直流電
圧成分を除くことができ、加速度信号を２倍にすること
ができる。しかも、外部磁界の強さの勾配の影響は一定
の直流電圧となるため、外部磁界の強さの勾配の大きさ
を知ることによりセンサ出力を補正することができる。
よって、微小加速度を正確に検出することができる。

【０００７】図４は本発明の第２の実施例を示す側断面
図である。本発明が第１の実施例と異なるのは、保持ば
ね４３を板状のものとし、保持ばね４３の両端を器枠１
に支持させた点にあり、保持ばね４３の中央部の上下両
面に重錘２３、２４を介して永久磁石５１、５２を設
け、この永久磁石５１、５２にそれぞれ対向させるよう
に設けた磁気センサ６１、６２を器枠１に固定したセン
サホルダ９に取り付け、両方の磁気センサ６１、６２の
出力を逆極性で加算するようにしている。このような構
成で、第１の実施例と同様に一対の磁石の極性を加速度
の方向と同じ方向（図の上方をＮ極、下方をＳ極）に揃
えて設定してある。加速度センサの基本的な動作は第１
の実施例と同様なのでその詳細な説明は省略するが、そ
の効果としては永久磁石５１、５２による直流電圧成分
を除くことができ、また、加速度信号を２倍にすること
ができ、外部磁界による信号成分の影響を低減すること
ができる点にある。

【０００８】図５は本発明の第３の実施例を示す図であ
る。基本的な構成は図１に示す第１の実施例と同じであ
る。第１の実施例と異なる点を説明する。磁気センサ６
１、６２を備えたセンサ基板６１０、６２０を器枠１か
ら分離して案内筒１１側に配置し、センサ基板６１０、
６２０には、永久磁石５１、５２と磁気センサ６１、６
２とのギャップを調整するギャップ調整用ネジ９１、９
２を案内筒１１の端部からセンサ基板６１０、６２０に
向かって鉛直方向に伸びるように設けている。ギャップ
調整用ネジ９１は右ネジ９１a 、左ネジ９１ｂを設け、
ギャップ調整用ネジ９２は右ネジ９２ａ、左ネジ９２ｂ
をそれぞれ有するものである。このような構成におい
て、加速度センサの組立時などにおいて、加速度センサ
を１台ごとに調整する際に加工部品の寸法精度の誤差若
しくは保持ばね４１、４２のばね定数のばらつき、また
は磁気センサ６１、６２をセンサ基板６１０、６２０に
固定する際に生じる磁気センサの取付高さのばらつき等
の問題があった場合でも、それぞれの磁気センサに右ネ
ジと左ネジをそれぞれ有するギャップ調整用ネジを備え
たため、磁気センサ６１、６２と永久磁石５１、５２間
のギャップ調整を容易に行うことができる。したがって
加速度センサの組立時に一台ごとに異なる寸法にスペー
サを加工したり、数種類の薄い円盤状スペーサを用意し
ておく必要がないため組み立時の煩雑さもなくなり量産
にも向いている。なお、このようなギャップ調整用ネジ
は、第２の実施例の構成の加速センサに適用しても構わ
ず、同等の効果が得られることは言うまでもない。

【０００９】

【発明の効果】このように、内側に加速度の測定方向に
沿う直動軸受をそなえた案内筒を有する器枠と、永久磁
石をそなえ直動軸受の摺動面に沿って移動する可動体
と、永久磁石に対向して器枠に取り付けられた磁気セン
サと、可動体を摺動面の基準位置に保持させる保持ばね
とをそなえ、加速度によって可動体が、保持ばねに抗し
て基準位置から移動して永久磁石と磁気センサとの対向
位置を変位させる加速度センサにおいて、差動信号がと
れるように並べる永久磁石の磁極方向を加速度の方向と
同じに揃えることにより、外部磁界に強さの勾配が存在
しても加速度センサ出力は一定の直流電圧成分となり、
勾配を測定することで補正することができ、微小加速度
を正確に検出できる効果がある。また、加速度が加えら
れたときに、永久磁石を直動軸受の摺動面に沿って直線
方向に移動させるようにしてあるので、永久磁石を備え
た可動体の移動により、測定方向のみの正確な加速度を
検出することができ、小形で高性能の加速度センサを得
られる。さらに、永久磁石とセンサ基板上の磁気センサ
間のギャップ調整を行うようにしたので、ギャップ調整
が容易にでき、加速度センサの組立、調整時の煩雑さが
なくなり量産にも向く効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す側断面図であ
る。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は永久磁石の磁極配置と磁気セ
ンサの特性の関係を示し、磁束密度の勾配を持つ上向き
矢印方向の外部磁界が存在するときの信号処理回路を含
めた模式図である。

【図３】加速度センサの変位と外部磁界の勾配の関係
を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施例を示す側断面図であ
る。

【図５】本発明の第３の実施例を示す側断面図であ
る。

【図６】従来の加速度センサを示す側断面図である。

【図７】従来の他の加速度センサを示す側断面図であ
る。

【図８】従来の磁気センサ信号出力の周波数特性を示
す図である。

【符号の説明】

１器枠１１案内筒２可動体２１、２２、２３、２４重錘３直動軸受４１、４２保持ばね（コイル状）４３保持ばね（板状）５１、５２永久磁石６１、６２磁気センサ７加速度演算部Ｐ_m1 磁石５１の極性Ｐ_m2 磁石５２の極性Ｐ_S1 磁気センサ６１の極性Ｐ_S2 磁気センサ６２の極性Ｐ_me 外部磁界の極性

フロントページの続き (72)発明者佐々木巌福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号株式会社安川電機内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】器枠と、この器枠の内側に設けられ加速
度の方向に移動する可動体と、この可動体の移動方向の
両端に備えた一対の永久磁石と、前記可動体を前記器枠
の基準位置に保持させる保持ばねと、前記永久磁石に対
向して前記器枠に取り付けられた磁気センサと、前記永
久磁石の変位によって生じる漏れ磁界の変化を前記磁気
センサで検出してその検出値から前記永久磁石に加わっ
た加速度を演算する加速度演算部とを備え、加速度によ
り前記可動体を前記保持ばねに抗して前記器枠の基準位
置から移動させて、前記永久磁石と前記磁気センサとの
対向位置を変位させる加速度センサにおいて、前記一対の永久磁石は、その極性を加速度の方向と同じ
方向に揃えて設定してあることを特徴とする加速度セン
サ。
【請求項２】前記可動体は、その外周面を直動軸受を
介して前記器枠の内部に取り付けた案内筒に案内支持さ
れ、前記保持ばねを、コイル状として前記永久磁石と前
記直動軸受との間に設けた請求項１に記載の加速度セン
サ。
【請求項３】前記保持ばねは、前記器枠の内側にその
両端もしくは一端が固定されると共に加速度の方向に撓
むことのできる板状のものからなる請求項１に記載の加
速度センサ。
【請求項４】前記磁気センサは、前記永久磁石とのギ
ャップを調整するギャップ調整用ネジを取り付けたセン
サ基板に設けられた請求項１から３までの何れか１項に
記載の加速度センサ。
【請求項５】前記磁気センサは、磁気抵抗素子である
請求項１から４までの何れか１項に記載の加速度セン
サ。