(57)【要約】【課題】微小時間内のショックを確実に検出することができる信頼性が高いショックセンサを提供する。【解決手段】ショックセンサ１０は、ショックの加速度に応じて透磁率が変化する磁歪素子１２と、磁歪素子１２にバイアス磁界を付与するためのバイアス磁界付与手段１４と、磁歪素子１２の近傍の磁界の強さを測定するための磁界測定手段１６と、を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ショックの加速度に応じて透磁率が変化する磁歪素子と、該磁歪素子にバイアス磁界を付与するためのバイアス磁界付与手段と、前記磁歪素子の近傍の磁界の強さを測定するための磁界測定手段と、を備えることを特徴とするショックセンサ。
【請求項２】
前記磁歪素子は、ランタノイド及び鉄属元素を含んでなる超磁歪素子であることを特徴とする請求項１に記載のショックセンサ。
【請求項３】
前記バイアス磁界付与手段は、永久磁石であることを特徴とする請求項１又は２に記載のショックセンサ。
【請求項４】
前記磁界測定手段が複数配設され、ショックによる複数の方向の加速度が測定可能とされたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のショックセンサ。
【請求項５】
前記磁界測定手段は、前記磁歪素子の近傍に配設されたコイルを備える構成であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のショックセンサ。
【請求項６】
前記磁界測定手段は、磁気抵抗素子を備える構成であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のショックセンサ。
【請求項７】
前記磁界測定手段は、ホール素子を備える構成であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のショックセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばコンピュータ及びその関連機器、ＡＶ機器、家電製品、輸送機器、産業機器等に用いられるショックセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、様々な分野において種々の目的でショックセンサが使用されている。例えば、ノートブック型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ等では、ショックッセンサを用いて落下等のショックを検出し、内部部品の駆動、データの書き込み等を停止することにより記録データ、内蔵部品等を保護するようにしたものがある。又、自動車ではエアバック等にショックセンサが用いられている。
【０００３】
このようなショックセンサとして、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミックを利用したものが広く知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
圧電セラミックは、ショックの加速度に応じて歪が生じ、歪の大きさに対応して電荷の分極が生じる性質を有している。この分極の電荷又は電圧を測定することによりショックを検出することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特表２００１―５１６８８４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電セラミックは、分極のための時間を要するため高速応答性という点で限界があり、微小時間内のショックを検出できないことがある。例えば、２０００Ｇ（１Ｇ＝１０−１１Ｎｍ２Ｋｇ−２）程度の加速度を検出するため、１μｓという微小時間内のショックの検出が要求されることがあるが、従来の圧電セラミックを用いたショックセンサでは、このような微小時間内のショックを確実に検出できないことがある。
【０００７】
又、圧電セラミックはインピーダンスが大きく、それだけ外乱に対して敏感であるため、ノイズを拾いやすい。更に、圧電セラミックはヒステリシスが大きい。従って、圧電セラミックを用いたショックセンサは、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ
ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）が小さいという問題がある。
【０００８】
又、圧電セラミックには分極を検出するための一対の電極が圧電セラミックをショックの作用方向の両側から挟むように取付けられ、これら電極にはそれぞれリード部が結線される。取付作業やショックにより圧電セラミックに外力が作用すると、２本のリード部はそれぞれ圧電セラミックに追従して撓むことになるが、これらのリード部はショックの作用方向に離間して配設されて全体として見るとそれだけ剛性が高くて撓みにくくなっているため、リード部に過度の荷重が作用して、リード部と電極との接合部等が破損することがある。
【０００９】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであって、微小時間内のショックを確実に検出することができる信頼性が高いショックセンサを提供することをその課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、圧電素子よりもショックの加速度に対して迅速に応答し、且つ、インピーダンスが小さい磁歪素子をショックセンサに用いることで上記課題を解決するに至った。
【００１１】
即ち、次のような本発明により、上記課題の解決を図ったものである。
【００１２】
（１）ショックの加速度に応じて透磁率が変化する磁歪素子と、該磁歪素子にバイアス磁界を付与するためのバイアス磁界付与手段と、前記磁歪素子の近傍の磁界の強さを測定するための磁界測定手段と、を備えることを特徴とするショックセンサ。
【００１３】
（２）前記磁歪素子は、ランタノイド及び鉄属元素を含んでなる超磁歪素子であることを特徴とする（１）のショックセンサ。
【００１４】
（３）前記バイアス磁界付与手段は、永久磁石であることを特徴とする（１）又は（２）のショックセンサ。
【００１５】
（４）前記磁界測定手段が複数配設され、ショックによる複数の方向の加速度が測定可能とされたことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかのショックセンサ。
【００１６】
（５）前記磁界測定手段は、前記磁歪素子の近傍に配設されたコイルを備える構成であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかのショックセンサ。
【００１７】
（６）前記磁界測定手段は、磁気抵抗素子を備える構成であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかのショックセンサ。
【００１８】
（７）前記磁界測定手段は、ホール素子を備える構成であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかのショックセンサ。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態に係るショックセンサ１０の構造を模式的に示す斜視図である。
【００２１】
ショックセンサ１０は、ショックの加速度に応じて透磁率が変化する磁歪素子１２と、磁歪素子１２にバイアス磁界を付与するためのバイアス磁界付与手段１４と、磁歪素子１２の近傍の磁界の強さを測定するためのコイル（磁界測定手段）１６と、を備えている。
【００２２】
磁歪素子１２は、ランタノイド及び鉄属元素を含んでなる超磁歪素子であり、略直方体に成形されている。ここで、本明細書において「鉄属元素」とは、周期表第４周期第８族の元素、即ちＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏの総称という意義で用いることとする。このような超磁歪素子は歪に対する透磁率の変動が４０％以上の大きな値となりうる。
【００２３】
バイアス磁界付与手段１４は、具体的には略長方形板状体のフェライトマグネット（永久磁石）であり、磁歪素子１２の底面に接着されている。又、バイアス磁界付与手段１４は、磁歪素子１２の接着面と反対側の面において基板２４に接着されて支持されている。
【００２４】
コイル１６は、具体的には複数のループが共通の平面に沿って等ピッチで連続するように線材を成形したものであり、磁歪素子１２の長手方向に沿うように、且つ、磁歪素子１２の上面に近接・対向して配設されている。又、コイル１６の両端には増幅回路１７（詳細省略）を介して電圧計１８（図示省略）が結線されている。
【００２５】
次に、ショックセンサ１０の作用について説明する。
【００２６】
バイアス磁界付与手段１４の周囲にはバイアス磁界が生じており、磁束が磁歪素子１２及びコイル１６を貫通している。
【００２７】
基板２４を介して磁歪素子１２にショックが伝達すると、ショックの加速度に応じて磁歪素子１２に歪が生じて磁歪素子１２の透磁率が変化する。このような磁歪効果は、圧電セラミックの電歪効果のような電荷の分極を伴わないので、ショックの加速度に応じて磁歪素子１２の透磁率が変化するための時間は、圧電セラミックの電荷が分極するための時間よりも短い。従って、コイル１６を貫通する磁束の大きさが迅速に変動し、コイル１６に誘導起電力が生じる。
【００２８】
コイル１６の両端の電圧を電圧計１８で測定することにより、ショックを検出することができる。磁歪素子１２は超磁歪素子で透磁率の変化が大きい。従って、誘導起電力はそれだけ大きくなり、外乱の影響を受けにくくなるので、高精度でコイル１６の誘導起電力を測定することができる。
【００２９】
このように、ショックセンサ１０は、ショックを微小時間内に確実に検出することができ、信頼性が高い。
【００３０】
又、コイル１６及びこれに結線される２本のリード部は磁歪素子１２の片側に配設すればよく、圧電セラミックを用いたショックセンサのように、２本のリード部を圧電セラミックの両側に配設する必要がないので、撓みやすく過度の荷重が作用しにくいように２本のリード部を配設することが容易である。即ち、リード部の接合部等の破損が発生しにくく、この点でもショックセンサ１０は信頼性が高い。
【００３１】
又、磁歪素子１２を構成する超磁歪素子は、粉末冶金等で多様な形状に成形可能であるので、ショックセンサ１０は生産性がよい。
【００３２】
更に、略直方体の磁歪素子１２と長方形板状体のバイアス磁界付与手段１４と、を組合わせたショックセンサ１０は構造が簡単でコンパクトであるので、チップマウンタ等により基板上に容易に装着することができ、汎用性が高い。
【００３３】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００３４】
図２に示されるように、本第２実施形態に係るショックセンサ２０は前記第１実施形態に係るショックセンサ１０に対しコイル１６に代えて、磁界測定手段として磁気抵抗素子２２を備えたものである。尚、電圧計１８に代えて磁気抵抗素子２２には抵抗計２４が結線されている。他の構成については前記ショックセンサ１０と同様であるので説明を省略する。
【００３５】
磁気抵抗素子２２は、具体的にはインジウム・アンチモン化合物等であり、ショックによる磁歪素子１２の近傍の磁束の変化に対応して、抵抗値が変化する性質を有している。この抵抗値の変化を抵抗計２４で測定することによりショックを検出することができる。磁歪素子１２は超磁歪素子で透磁率の変化が大きく、それだけ抵抗値が大きく変化して外乱の影響を受けにくいので、高精度で磁気抵抗素子２２の抵抗値を測定することができる。
【００３６】
即ち、ショックセンサ２０も前記ショックセンサ１０と同様にショックを微小時間内に確実に検出することができ、信頼性が高い。
【００３７】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
【００３８】
図３に示されるように、本第３実施形態に係るショックセンサ３０は前記第１実施形態に係るショックセンサ１０に対しコイル１６に代えて、磁界測定手段としてホール素子３２を用いたものである。他の構成についてはショックセンサ１０と同様であるので説明を省略する。
【００３９】
ホール素子３２は、具体的にはインジウム・アンチモン化合物、ガリウム・砒素化合物等であり、ショックによる磁歪素子１２の近傍の磁束の変化に対応し、ホール電圧を出力する。このホール電圧を電圧計１８で測定することによりショックを検出することができる。磁歪素子１２は超磁歪素子で透磁率の変化が大きい。従って、ホール電圧はそれだけ大きくなり、外乱の影響を受けにくくなるので、高精度でホール電圧を測定することができる。
【００４０】
即ち、ショックセンサ３０も前記ショックセンサ１０及び２０と同様にショックの伝達を微小時間内に確実に検出することができ、信頼性が高い。
【００４１】
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
【００４２】
図４に示されるように、本第４実施形態に係るショックセンサ４０は、前記第１実施形態に係るショックセンサ１０に対し前記コイル１６を第１のコイルとして、更に第２のコイル４２を配設し、複数の方向の加速度を検出可能としたものである。他の構成については前記ショックセンサ１０と同様であるので説明を省略する。
【００４３】
第２のコイル４２は、第１のコイル１６と同様の形状で、磁歪素子１２の長手方向の一端面に近接して配設されている。
【００４４】
このように、２つのコイルを配設し、複数の方向の加速度を検出することで、それだけ多様な態様でショックを検出することができる。
【００４５】
例えば、複数のコイルの誘導起電力に基づいて複数の方向の磁界の変化を検出でき、各コイル毎の検出結果を処理することにより様々な方向のショックを検出することができる。又、方向により異なるショックの加速度のうち、最大値を検出することも可能である。
【００４６】
更に、後述するように、複数のコイルを適宜配設・結線して誘導起電力を合成することにより、各コイル毎の検出結果を処理することなく方向の影響を排除した、加速度の最大値を検出することも可能である。
【００４７】
更に、複数のコイルの誘導起電力を合成することにより、それだけ強い電気信号を得てノイズの影響を低減することもでき、ショックの検出精度を一層高めることができる。
【００４８】
尚、本第４実施形態は、磁界測定手段として複数（２つ）のコイルを配設しているが、前記第２実施形態に示されるような磁気抵抗素子、前記第３実施形態に示されるようなホール素子を磁界測定手段として複数配設すれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４９】
（実施例１）
磁歪素子１２は、３．２×２×０．４ｍｍの略直方体とし、第１のコイル１６、第２のコイル４２をそれぞれ磁歪素子１２の上面及び長手方向の一端面に配設した（図４参照）。コイル１６、４２は、いずれも巻き数を２０とした。
【００５０】
このように構成したショックセンサ４０に水平方向のショックを付与した。ショックの加速度の大きさは一定とし、方向を変えて２つのコイル１６、４２の端子電圧を測定した。図５に、ショックの加速度の方向と、２つのコイル１６、４２の端子電圧及びこれらを合成した電圧との関係を示す。
【００５１】
又、ショックの加速度の方向は一定とし、加速度の大きさを変えて２つのコイル１６、４２の端子電圧を測定した。図６に加速度の大きさと２つのコイル１６、４２の端子電圧の合成電圧との関係を示す。
【００５２】
図５から、ショックの方向により各コイル１６、４２の端子電圧が変化する一方、これらの合成電圧はショックの方向に拘らず略一定となることがわかる。即ち、各コイル毎の検出結果を処理することなく方向の影響を排除した、加速度の最大値を検出することができる。
【００５３】
又、図６から、２つのコイル１６、４２の端子電圧の合成電圧と加速度の大きさは比例し、加速度が２０００Ｇを超えるショックを確実に検出できることがわかる。
【００５４】
（実施例２）
磁歪素子１２は実施例１と等しい形状とした。一方、磁界測定手段として２つのコイル１６、４２に代えて２つのホール素子（旭化成（株）ＨＷ−１０８Ａ）をそれぞれ磁歪素子１２の上面及び長手方向の一端面に配設した（図４参照）。
【００５５】
このように構成したショックセンサに水平方向のショックを付与し、実施例１と同様に、ショックの方向を変えて２つのホール素子が出力するホール電圧を測定した。図７に、ショックの加速度の方向と、２つのホール素子のホール電圧及びこれらを合成した電圧との関係を示す。尚、加速度の大きさは一定である。又、図８に加速度の大きさと２つのホール素子のホール電圧の合成電圧との関係を示す。
【００５６】
図７から、ショックの方向により各ホール素子が出力するホール電圧が変化する一方、これらの合成電圧はショックの方向に拘らず略一定となることがわかる。
【００５７】
又、図８より、２個のホール素子のホール電圧の合成電圧と加速度の大きさは比例し、２０００Ｇを超えるショックを確実に検出できることがわかる。
【００５８】
尚、前記第１〜第４実施形態において、磁界測定手段としてコイル、磁気抵抗素子、ホール素子が示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁歪素子の近傍の磁界の大きさの変化を微小時間で測定することができる磁界測定手段であれば、その種類、構成は限定されない。
【００５９】
又、前記第１〜第４実施形態において、磁界測定手段（コイル、磁気抵抗素子、ホール素子）は磁歪素子１２に近接して配設されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁歪素子の近傍の磁界の大きさを測定できる位置であれば磁歪素子から離間するように磁界測定手段を配設してもよい。又、磁歪素子に接触するように磁界測定手段を配設してもよい。
【００６０】
又、前記第４実施形態において、２つの磁界測定手段（コイル）を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、３つ以上の磁界測定手段を用いてもよい。このようにすることで、一層多様な態様のショックを検出することが可能となる。
【００６１】
又、前記第１〜第３実施形態において、磁界測定手段としてコイル１６、磁気抵抗素子２２、ホール素子３２が磁歪素子１２の上面に配設され、前記第４実施形態においては更に第２のコイル４２が磁歪素子１２の長手方向の一端面に配設されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁界測定手段は検出しようとするショックの加速度方向に対応して、適宜配設すればよい。
【００６２】
又、前記第１〜第４実施形態において、バイアス磁界付与手段１４は、略長方形板状体のフェライトマグネットとされているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の種類の永久磁石を用いてもよい。又、電磁石を用いてもよい。
【００６３】
又、前記第１〜第４実施形態において、磁歪素子１２は、略直方体とされているが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁歪素子の形状は用途に応じて適宜選択すればよく、例えば円柱形状の磁歪素子としてもよい。
【００６４】
又、前記第１〜第４実施形態において、磁歪素子１２は、ランタノイド及び鉄属元素を含んでなる超磁歪素子とされているが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁歪効果を有する素子であれば、材質は特に限定されない。尚、微小時間内のショックを確実に検出するためには、歪に対する透磁率の変化が大きい超磁歪素子を用いることが好ましい。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、微小時間内のショックを確実に検出することが可能となるという優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るショックセンサの構造を模式的に示す側面図
【図２】本発明の第２実施形態に係るショックセンサの構造を模式的に示す側面図
【図３】本発明の第３実施形態に係るショックセンサの構造を模式的に示す側面図
【図４】本発明の第４実施形態に係るショックセンサの構造を模式的に示す側面図
【図５】本発明の第１実施例に係るショックセンサによるショックの加速度の方向と測定電圧との関係を示すグラフ
【図６】同ショックセンサによるショックの加速度の大きさと測定電圧との関係を示すグラフ
【図７】本発明の第２実施例に係るショックセンサによるショックの加速度の方向と測定電圧との関係を示すグラフ
【図８】同ショックセンサによるショックの加速度の方向と測定電圧との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０…ショックセンサ
１２…磁歪素子
１４…バイアス磁界付与手段
１６…（第１の）コイル（磁界測定手段）
２２…磁気抵抗素子（磁界測定手段）
３２…ホール素子（磁界測定手段）
４２…第２のコイル（磁界測定手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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