(57)【要約】【課題】コンパクト化、低コスト化、部品点数及び組立工数の削減等を実現しつつ、同時に、３軸方向の加速度変化を高精度、高感度で検出することができる簡易構造の加速度センサを提供する。【解決手段】加速度センサ１０は、非磁性部材のハウジング１２と、ハウジング１２内で片持ち支持され、且つ、超磁歪部材１８と金属板２０をバイモルフ型に張り合わせた梁部材１４と、金属板２０と対向するハウジング内側壁面１２Ａより小さい面積で、ハウジング内側壁面１２Ａに沿って移動自在の可動バイアス磁石１５と、可動バイアス磁石１５をハウジング内側壁面１２Ａに沿って案内する案内板２４と、超磁歪部材１８を挟んで可動バイアス磁石１５の反対側に配置され、可動バイアス磁石１５の漏れ磁界の変化を検出するホール素子１６と、を有し、梁部材１４の変位方向Ｚ１及び可動バイアス磁石１５の移動方向Ｘ１、Ｙ１の加速度変化を、超磁歪部材１８の変形及び可動バイアス磁石１５の移動による漏れ磁界の変化として検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性部材からなるハウジングと、該ハウジング内において片持ち状に支持され、且つ、磁歪部材及び他部材をバイモルフ型に張り合わせてなる梁部材と、該梁部材の前記他部材と対向するハウジング内側壁面よりも小さい面積とされ、該ハウジング内側壁面に沿って移動自在とされた可動バイアス磁石と、該可動バイアス磁石を前記ハウジング内側壁面に沿って案内する非磁性部材の案内板と、前記梁部材の前記磁歪部材を挟んで前記可動バイアス磁石の反対側に配置され、該可動バイアス磁石の漏れ磁界の変化を検出するための検出手段と、を有してなり、前記梁部材の変位方向及び前記可動バイアス磁石の移動方向の加速度変化を、前記磁歪部材の変形及び前記可動バイアス磁石の移動に基づく前記漏れ磁界の変化として検出することを特徴とする加速度センサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記梁部材を略平板形状に構成したことを特徴とする加速度センサ。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記梁部材の自由端に、該梁部材の変位量を増大するための重りを取り付けたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記可動バイアス磁石を前記ハウジング内側壁面の中心位置近傍に保持するための保持手段を備えたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項５】
請求項４において、
前記保持手段は、前記可動バイアス磁石の移動方向に配置され、該可動バイアス磁石の移動を規制するための弾性体を含んでなることを特徴とする加速度センサ。
【請求項６】
請求項５において、
前記弾性体はばねを含んでなり、前記可動バイアス磁石と前記ハウジングとの間に少なくとも３つの前記ばねを縮設したことを特徴とする加速度センサ。
【請求項７】
請求項４において、
前記保持手段は、前記可動バイアス磁石を前記ハウジングの外部から吸着するための磁石を含んでなることを特徴とする加速度センサ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記検出手段はピックアップコイルを含み、前記漏れ磁界の変化を前記ピックアップコイルのインダクタンス変化として検出するようにされたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項９】
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記漏れ磁界の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項１０】
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記検出手段はホール素子を含み、前記漏れ磁界の変化を前記ホール素子の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪部材を用いて加速度変化を検出するようにした加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加速度センサとして、圧電素子にかかる応力ひずみをピエゾ電圧として検出するものや、ばね等で支持した物体の加速度による変位を静電容量の変化として検出するものが広く知られている。
【０００３】
例えば、図１５に示される従来公知の加速度センサ１は、軟磁性部材で構成され、且つ、３軸方向に変位自由度を有する支持部材２と、この支持部材２によって支持された永久磁石３と、この永久磁石３の周囲を取り囲むように配置され、永久磁石３の磁束密度を検知する４つの磁場センサ４Ａ〜４Ｄと、を有している（特許文献１参照）。又、各磁場センサ４Ａ〜４Ｄには、駆動コイル５Ａ〜５Ｄと、検出コイル６Ａ〜６Ｄがそれぞれ巻回されている。
【０００４】
この加速度センサ１は、永久磁石３の変位に基づく磁束密度の変化を４つの磁場センサ４Ａ〜４Ｄによって検知し、３軸方向の加速度変化を検出するようにしたものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２３００２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、この従来公知の加速度センサ１は、３軸方向の加速度変化が検出できる一方で、加速度変化の検出感度を高めるには４つの磁場センサ４Ａ〜４Ｄを精度良く組み立てる必要があり、組立工数の削減及び検出感度の向上には限界があった。又、部品点数が多く、構造が複雑で、コンパクト化や低コスト化が難しいといった問題点があった。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、コンパクト化、低コスト化、部品点数及び組立工数の削減等を実現しつつ、同時に、３軸方向の加速度変化を高精度、高感度で検出することができる簡易構造の加速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発明者は、研究の結果、３軸方向の加速度変化を高精度、高感度で検出することができる簡易構造の加速度センサを見出した。
【０００９】
即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。
【００１０】
（１）非磁性部材からなるハウジングと、該ハウジング内において片持ち状に支持され、且つ、磁歪部材及び他部材をバイモルフ型に張り合わせてなる梁部材と、該梁部材の前記他部材と対向するハウジング内側壁面よりも小さい面積とされ、該ハウジング内側壁面に沿って移動自在とされた可動バイアス磁石と、該可動バイアス磁石を前記ハウジング内側壁面に沿って案内する案内板と、前記梁部材の前記磁歪部材を挟んで前記可動バイアス磁石の反対側に配置され、該可動バイアス磁石の漏れ磁界の変化を検出するための検出手段と、を有してなり、前記梁部材の変位方向及び前記可動バイアス磁石の移動方向の加速度変化を、前記磁歪部材の変形及び前記可動バイアス磁石の移動に基づく前記漏れ磁界の変化として検出することを特徴とする加速度センサ。
【００１１】
（２）前記梁部材を略平板形状に構成したことを特徴とする前記（１）記載の加速度センサ。
【００１２】
（３）前記梁部材の自由端に、該梁部材の変位量を増大するための重りを取り付けたことを特徴とする前記（１）又は（２）記載の加速度センサ。
【００１３】
（４）前記可動バイアス磁石を前記ハウジング内側壁面の中心位置近傍に保持するための保持手段を備えたことを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の加速度センサ。
【００１４】
（５）前記保持手段は、前記可動バイアス磁石の移動方向に配置され、該可動バイアス磁石の移動を規制するための弾性体を含んでなることを特徴とする前記（４）記載の加速度センサ。
【００１５】
（６）前記弾性体はばねを含んでなり、前記可動バイアス磁石と前記ハウジングとの間に少なくとも３つの前記ばねを縮設したことを特徴とする前記（５）記載の加速度センサ。
【００１６】
（７）前記保持手段は、前記可動バイアス磁石を前記ハウジングの外部から吸着するための磁石を含んでなることを特徴とする前記（４）記載の加速度センサ。
【００１７】
（８）前記検出手段はピックアップコイルを含み、前記漏れ磁界の変化を前記ピックアップコイルのインダクタンス変化として検出するようにされたことを特徴とする前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の前記加速度センサ。
【００１８】
（９）前記検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記漏れ磁界の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とする前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の加速度センサ。
【００１９】
（１０）前記検出手段はホール素子を含み、前記漏れ磁界の変化を前記ホール素子の起電力変化として検出するようにされたことを特徴とする前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の加速度センサ。
【００２０】
（１１）前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の加速度センサ。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る簡易構造の加速度センサは、コンパクト化、低コスト化、部品点数及び組立工数の削減等を実現しつつ、同時に、３軸方向の加速度変化を高精度、高感度で検出することができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
図１〜図３に示されるように、本発明の実施形態に係る加速度センサ１０は、非磁性部材のセラミックからなる略箱状のハウジング１２を備えており、このハウジング１２内において略平板形状の梁部材１４が片持ち状に支持されていると共に、その下方には、可動バイアス磁石１５がハウジング内側壁面１２Ａに接して配置されている。又、ハウジング１２の上部外側壁面には、ホール素子（検出手段）１６が配置されている。
【００２４】
略平板形状の梁部材１４は、超磁歪部材１８及び金属板（他部材）２０をバイモルフ型に張り合わせて構成されている。又、この梁部材１４の一端側はハウジング１２に固定された基端１４Ａとされる一方で、他端側は自由端１４Ｂとされ、梁部材１４は基端１４Ａを支点として図中のＺ１方向に変位可能な構造となっている。
【００２５】
この梁部材１４の下方に配置された可動バイアス磁石１５は、ハウジング１２との間に縮設された４つのばね２２Ａ〜２２Ｄによってハウジング内側壁面１２Ａの略中央位置近傍に保持されつつ、図中のＸ１、Ｙ１方向に移動自在な構造となっている。又、この可動バイアス磁石の１５の上方には、可動バイアス磁石１５をハウジング内側壁面１２Ａに沿って案内する非磁性部材の案内板２４が配置されている。
【００２６】
梁部材１４の超磁歪部材１８は、超磁歪素子を材料として用いている。ここで、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいう。図４に示されるように、この（超）磁歪素子は、外部から応力Ｆを受けて変形すると大きな透磁率μ（又は残留磁化量）の変化を生じる特性を有している。即ち、（超）磁歪素子が引張り力を受けて伸長すると透磁率μが上がり、（超）磁歪素子が圧縮力を受けて縮小すると透磁率μが下がる。
【００２７】
ホール素子１６は、梁部材１４の超磁歪部材１８を挟んで可動バイアス磁石１５の反対側に配置されており、超磁歪部材１８の変形及び可動バイアス磁石１５の移動に基づく可動バイアス磁石１５の漏れ磁界の変化を、起電力の変化として検出する。
【００２８】
次に、加速度センサ１０の作用について説明する。
【００２９】
図２に示されるように、可動バイアス磁石１５によって印加されるバイアス磁界の磁束Ｍは、その一部が金属板２０及び超磁歪部材１８を通過しホール素子１６に到達する。この結果、図５に示されるように、ホール素子１６には磁束密度Ｈ０の漏れ磁界が印加され、この磁束密度Ｈ０に応じた基準電圧Ｖ０がホール素子１６において検知される。
【００３０】
この状態で、梁部材１４の変位方向Ｚ１に加速度が加えられると、慣性力によって梁部材１４が変形し、超磁歪部材１８の変位量が変化する。そして、この超磁歪部材１８の変位に伴って透磁率（又は残留磁化量）が変化する結果、ホール素子１６を通過する漏れ磁界の磁束密度Ｈが変化し、ホール素子１６の検知電圧Ｖが変化する。従って、超磁歪部材１８の変形に基づく漏れ磁界の磁束密度Ｈの変化を、ホール素子１６の検知電圧Ｖの変化として検出することで、梁部材１４の変位方向Ｚ１の加速度変化を検出することができる。
【００３１】
より具体的には、図６に示されるように、図中のＺ２方向に加速度が加えられると、梁部材１４がＺ２方向と逆の方向に湾曲し、超磁歪部材１８が伸長する。そして、超磁歪部材１８の透磁率が上がり、可動バイアス磁石１５の漏れ磁界が増大する。そのため、ホール素子１６を通過する磁束Ｍの磁束密度Ｈが増加し（Ｈ＝Ｈ１＞Ｈ０）、ホール素子１６の検知電圧Ｖが基準電圧Ｖ０よりも大きくなる（Ｖ＝Ｖ１＞Ｖ０）。
【００３２】
又、図７に示されるように、図中のＺ３方向に加速度が加えられると、梁部材１４がＺ３方向と逆の方向に湾曲し、超磁歪部材１８が縮小する。そして、超磁歪部材１８の透磁率が下がり、可動バイアス磁石１５の漏れ磁界が減少する。そのため、ホール素子１６を通過する磁束Ｍの磁束密度Ｈが減少し（Ｈ＝Ｈ２＜Ｈ０）、ホール素子１６の検知電圧Ｖが基準電圧Ｖ０よりも小さくなる（Ｖ＝Ｖ２＜Ｖ０）。
【００３３】
一方、図８に示されるように、加速度センサ１０にＸ２方向の加速度が加えられると、可動バイアス磁石１５がＸ２方向と逆の方向に移動し、この移動に伴って可動バイアス磁石１５のバイアス磁界が移動する。その結果、ホール素子１６を通過する漏れ磁界の磁束密度Ｈが変化し、ホール素子１６の検知電圧Ｖが変化する。
【００３４】
従って、このような可動バイアス磁石１５の移動に基づく漏れ磁界の磁束密度Ｈの変化をホール素子１６の検知電圧Ｖの変化として検出することで、可動バイアス磁石１５の移動方向Ｘ１の加速度変化を検出することができる。なお、Ｘ１と直交関係にあるＹ１方向に加速度が加えられた場合も、前述のＸ１方向と同様の方法によって加速度変化を検出することができる。
【００３５】
本発明の実施形態の例に係る加速度センサ１０によれば、非磁性部材からなるハウジング１２と、このハウジング１２内において片持ち状に支持され、且つ、超磁歪部材１８及び金属板２０をバイモルフ型に張り合わせてなる梁部材１４と、この梁部材１４の金属板２０と対向するハウジング内側壁面１２Ａよりも小さい面積とされ、このハウジング内側壁面１２Ａに沿って移動自在とされた可動バイアス磁石１５と、この可動バイアス磁石１５をハウジング内側壁面１２Ａに沿って案内する案内板２４と、梁部材１４の超磁歪部材１８を挟んで可動バイアス磁石１５の反対側に配置され、この可動バイアス磁石１５の漏れ磁界の変化を検出するためのホール素子１６と、を有してなり、梁部材１４の変位方向Ｚ１及び可動バイアス磁石１５の移動方向Ｘ１、Ｙ１の加速度変化を、超磁歪部材１８の変形及び可動バイアス磁石１５の移動に基づく漏れ磁界の変化として検出することができるため、３軸方向の加速度変化を高精度、高感度で検出することができる。しかも、構造が極めて簡易なため、コンパクト化、低コスト化、部品点数及び組立工数の削減等を容易に実現することができる。
【００３６】
特に、梁部材１４を略平板形状に構成しているため、加速度変化による梁部材１４の変位量を増大させることができ、梁部材１４の変位方向Ｚ１の加速度変化の検出感度がより一層高められている。
【００３７】
なお、本発明に係る加速度センサは、上記実施形態に係る加速度センサ１０における構造や形状等に限定されるものではなく、例えば、ハウジング１２の材料はセラミックに限定されるものではなく、アルミ等の他の非磁性部材を用いてもよい。
【００３８】
又、上記実施形態においては、梁部材１４を超磁歪部材１８及び金属板２０によって構成したが、本発明はこれに限定されるものではない。更に、検出感度をそれ程高める必要がない場合には、超磁歪部材１８の代わりに磁歪素子からなる磁歪部材を適用してもよい。
【００３９】
更に、上記実施形態においては、梁部材１４を略平板形状に構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、梁部材１４を略棒状体に構成してもよい。なお、加速度センサの検出感度をより一層高めるためには、梁部材を薄膜状に構成するのが好ましい。
【００４０】
又、上記実施形態においては、可動バイアス磁石１５を、４つのばね２２Ａ〜２２Ｄによってハウジング内側壁面１２Ａの中心位置近傍に保持したが、本発明はこれに限定されるものではなく、可動バイアス磁石１５を、他の保持手段によってハウジング内側壁面１２Ａの中心位置近傍に保持してもよい。
【００４１】
従って、例えば、図９に示されるように、可動バイアス磁石１５を、ハウジング１２との間に縮設された３つのばね２６Ａ〜２６Ｃによって保持してもよく、又、図１０に示されるように、可動バイアス磁石１５の移動方向に配置され、可動バイアス磁石１５の移動を規制する分離発泡体２８等の弾性体によって可動バイアス磁石１５を保持してもよい。更には、図１１に示されるように、可動バイアス磁石１５をハウジング１２の外部から吸着する磁石３０を備えてもよい。
【００４２】
上記実施形態においては、可動バイアス磁石１５の漏れ磁界の変化を検出するための検出手段としてホール素子１６を適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４３】
従って、例えば、図１２に示されるように、検出手段としてＭＲ、ＧＭＲ、ＴＭＲ等の磁気抵抗効果素子３２を適用し、漏れ磁界の変化を磁気抵抗効果素子３２の起電力変化として検出してもよく、又、図１３に示されるように、検出手段としてピックアップコイル３４を適用し、漏れ磁界の変化をピックアップコイル３４のインダクタンス変化として検出するようにしてもよい。
【００４４】
なお、図１４に示されるように、梁部材１４の自由端１４Ｂに、梁部材１４の変位量を増大するための重り３６を取り付ければ、加速度変化による超磁歪部材１８の変位量、即ち、超磁歪部材１８の透磁率又は残留磁化量の変化量を増大させることができ、加速度センサの検出感度をより一層高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の加速度センサは、様々な分野に適用することができるが、特に、コンパクト化が要求される携帯電話等に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る加速度センサを示す概略斜視図
【図２】図１におけるII−II線に沿った概略断面図
【図３】図１におけるIII−III線に沿った概略断面図
【図４】磁歪素子が受ける応力Ｆと透磁率μの関係を示すグラフ
【図５】ホール素子を通過する磁束の磁束密度Ｈとホール素子の検知電圧Ｖの関係を示すグラフ
【図６】図１における加速度センサに上方向の加速度が加えられた状態を模式的に示す概略断面図
【図７】図１における加速度センサに下方向の加速度が加えられた状態を模式的に示す概略断面図
【図８】図１における加速度センサに水平方向の加速度が加えられた状態を模式的に示す概略断面図
【図９】本発明に係る保持手段として３つのばねを適用した例を示す概略断面図
【図１０】本発明に係る保持手段として分離発泡体を適用した例を示す概略断面図
【図１１】本発明に係る保持手段として磁石を適用した例を示す概略断面図
【図１２】図１におけるホール素子に代えて磁気抵抗効果素子を適用した例を示す概略断面図
【図１３】図１におけるホール素子に代えてピックアップコイルを適用した例を示す概略断面図
【図１４】図１における梁部材の自由端に重りを取り付けた例を示す概略断面図
【図１５】従来の加速度センサを示す概略構成図
【符号の説明】
【００４７】
μ…透磁率
Ｆ…応力
Ｍ…磁束
Ｈ、Ｈ０、Ｈ１、Ｈ２…磁束密度
Ｖ、Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２…検知電圧
１…加速度センサ
２…支持部材
３…永久磁石
４Ａ〜４Ｄ…磁場センサ
５Ａ〜５Ｄ…駆動コイル
６Ａ〜６Ｄ…検出コイル
１０…加速度センサ
１２…ハウジング
１４…梁部材
１４Ａ…基端
１４Ｂ…自由端
１５…可動バイアス磁石
１６…ホール素子
１８…超磁歪部材
２０…金属板
２２Ａ〜２２Ｄ、２６Ａ〜２６Ｃ…ばね
２４…案内板
２８…分離発泡体
３０…磁石
３２…磁気抵抗効果素子
３４…ピックアップコイル
３６…重り
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2005098737.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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