(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも四つの案内溝を放射状に設けた案内部材と、
前記各案内溝内をそれぞれ自在に転動する少なくとも四つの磁性体球と、
前記案内部材の下面側から前記各磁性体球の位置をそれぞれ磁気的に検出する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子に、該磁気検出素子の下面側からバイアス磁場を印加すると共に、各前記磁性体球を前記各案内溝の前記案内部材の中心側の一端に当接させて初期位置に保持する磁石と、
を備え、
前記案内溝の長手方向が前記案内部材の中心軸に対して垂直な方向と平行になるように配置されており、
前記磁性体球の直径をＤ、前記案内溝の中心側の間隔をｄ１、前記磁石の直径をｄ２としたとき、ｄ２が略（ｄ１+２Ｄ）と等しくなるように設定されていること、
を特徴とする加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度を検出する加速度センサ、特に、二次元方向の加速度を検出する加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の加速度センサの一例を図７に示す。この加速度センサ１は、中心部に磁性体２を保持してなる樹脂製滑走ディスク３を、該滑走ディスク３の直径よりも十分大きい内径を有する円形の外装ケース４の内部に滑走自在に収容している。外装ケース４の外側には、滑走ディスク３の磁性体２の位置を磁気的に検出する磁気センサ５を取り付けている。磁気センサ５は、図８に示すように、磁性体２の位置を二次元的に検出する４つの磁気抵抗素子６ａ〜６ｄと、これら磁気抵抗素子６ａ〜６ｄにバイアス磁場を加える磁石７とを内蔵している。
【０００３】
磁石７は円柱形状を有し、その一端側の磁極の上に支持基板８が固定されている。この支持基板８の表面には、磁気抵抗素子６ａ〜６ｄが設けられている。これら四つの磁気抵抗素子６ａ〜６ｄのうち、二つの磁気抵抗素子６ａ，６ｂは図８中に示しているＸ方向に中心軸Ｃに対して軸対称に配置され、二つの磁気抵抗素子６ｃ，６ｄはＸ方向と直交するＹ方向に中心軸Ｃに対して軸対称に配置されている。そして、これら磁気抵抗素子６ａ〜６ｄからは、それぞれ２本のリード端子９がそれぞれ引き出されている。さらに、外装ケース４内には、粘性を有するオイルが充填されている。このオイルはダンパ材として機能するもので、印加される加速度が零となった後の滑走ディスク３に制動をかけて停止させる。
【０００４】
以上の構成からなる加速度センサ１は、常時は、滑走ディスク３の磁性体２が磁石７に吸引されて、外装ケース４の中心部の初期位置に位置している。この状態において、加速度センサ１に加速度が加わると、滑走ディスク３はその慣性により一定位置を維持しようとするのに対して、外装ケース４は加速度の方向に移動する。これにより、滑走ディスク３は外装ケース４の中心から相対移動する。この相対移動は、磁気抵抗素子６ａ〜６ｄの抵抗値（電圧値）の変化として検出される。そして、この磁気抵抗素子６ａ〜６ｄの出力信号に基づいて加速度センサ１に加えられた加速度がベクトル的に算出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の加速度センサ１では、加速度が零となった後の滑走ディスク３を、磁石７の吸引力を利用して外装ケース４の中心部の初期位置に復帰させるので、たとえダンパ材のオイルによる制動力があっても滑走ディスク３は初期位置に停止するまでに初期位置を中心としたダンピング振動を行う。従って、磁気抵抗素子６ａ〜６ｄの出力信号波形は、滑走ディスク３のダンピング振動に対応して、図９に示すようなリンギング１１が生じることになる。
【０００６】
このため、従来の加速度センサ１では、例えば、同方向で逆向きの加速度が連続して加わるような場合、磁気抵抗素子６ａ〜６ｄの出力信号に基づいて算出された加速度が、実際に加わっている加速度に基づくものであるのか、又はダンピング振動に基づく単なるリンギングであるのか、判別できなかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、二次元方向の加速度を応答性良く検出することができる小型で安価な加速度センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するため、本発明に係る加速度センサは、
（ａ）少なくとも四つの案内溝を放射状に設けた案内部材と、
（ｂ）前記各案内溝内をそれぞれ自在に転動する少なくとも四つの磁性体球と、
（ｃ）前記案内部材の下面側から前記各磁性体球の位置をそれぞれ磁気的に検出する磁気検出素子と、
（ｄ）前記磁気検出素子に、該磁気検出素子の下面側からバイアス磁場を印加すると共に、各前記磁性体球を前記各案内溝の前記案内部材の中心側の一端に当接させて初期位置に保持する磁石と、
を備え、
（ｅ）前記案内溝の長手方向が前記案内部材の中心軸に対して垂直な方向と平行になるように配置されており、
（ｆ）前記磁性体球の直径をＤ、前記案内溝の中心側の間隔をｄ１、前記磁石の直径をｄ２としたとき、ｄ２が略（ｄ１+２Ｄ）と等しくなるように設定されていること、
を特徴とする。
【０００９】
【作用】
少なくとも四つの磁性体球は、常時は、磁石のバイアス磁場の磁力により、各案内溝の一端に当接して初期位置に保持されている。この状態で加速度が加速度センサに加わると、磁性体球が案内溝内を磁石の磁力に抗して移動する。これにより、磁気検出素子に印加されている磁束密度が変化し、磁気検出素子の出力信号が変わる。この出力信号に基づいて加速度センサに加えられた加速度がベクトル的に算出される。加速度センサの加速度が零となると、磁性体球は磁石の吸引力を利用して初期位置に戻る。このとき、磁性体球は案内溝の一端に規制されて、ダンピング振動を発生させることなく、速やかに案内溝の一端に当接した状態で静止する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る加速度センサの一実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１１】
図１及び図２に示す加速度センサ２１は、磁性体材料からなる四つの磁性体球２２ａ〜２２ｄ、円板状の磁性体球案内部材２４、蓋部材２５、支持基板２６上に設けられた磁気検出素子としての四つの磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄ、磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄにバイアス磁場を印加する磁石２８、磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄ及び磁石２８を収容する樹脂ケース２９から構成されている。
【００１２】
磁性体球案内部材２４は、四つの案内溝２３ａ〜２３ｄを有し、この案内溝２３ａ〜２３ｄの内部を磁性体球２２ａ〜２２ｄがそれぞれ転動している。案内溝２３ａ〜２３ｄは、磁性体球案内部材２４の中心軸Ｃに対して９０度の等間隔で放射状に配置されている。すなわち、二つの案内溝２３ａ，２３ｂは、中心軸Ｃに対して軸対称に、かつ、案内溝２３ａ，２３ｂの長手方向が中心軸Ｃに対して垂直な方向（以下、Ｘ方向とする）と平行になるように配置されている。残る二つの案内溝２３ｃ，２３ｄは、中心軸Ｃに対して軸対称に、かつ、案内溝２３ｃ，２３ｄの長手方向がＸ方向と直交する方向（以下、Ｙ方向とする）と平行になるように配置されている。案内溝２３ａ〜２３ｄには、磁性体球２２ａ〜２２ｄの転動のダンパ材としてシリコン系のオイル３０が充填されている。蓋部材２５は、磁性体球案内部材２４の上面に固定されて案内溝２３ａ〜２３ｄの開口部を塞ぎ、磁性体球２２ａ〜２２ｄとともにオイル３０を封止している。磁性体球案内部材２４と蓋部材２５は、非磁性体材料からなり、例えば樹脂等からなる。
【００１３】
磁性体球案内部材２４は、円柱状の樹脂ケース２９の一端に固定されている。樹脂ケース２９内には、四つの円形の磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄ（図３参照）が支持基板２６に設けられるとともに、該支持基板２６が円柱状の磁石２８の一端側の磁極（図２ではＮ極）の上に支持されている。樹脂ケース２９内には樹脂３１が充填され、該樹脂３１により、磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄ、支持基板２６及び磁石２８が樹脂ケース２９内にて所定位置に保持されている。
【００１４】
磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄは、図３に示すように、磁性体球案内部材２４の中心軸Ｃに対して９０度の等間隔で配置されている。すなわち、二つの磁気抵抗素子Ｒａ，Ｒｂは、Ｘ方向と平行な方向に中心軸Ｃに対して軸対称に位置している。残る二つの磁気抵抗素子Ｒｃ，Ｒｄは、Ｙ方向と平行な方向に中心軸Ｃに対して軸対称に位置している。さらに、磁石２８はその軸を磁性体球案内部材２４の中心軸Ｃ上に配置している。こうして、二つの磁気抵抗素子Ｒａ，Ｒｂはそれぞれ案内溝２３ａ，２３ｂに対向して位置し、残る二つの磁気抵抗素子Ｒｃ，Ｒｄは案内溝２３ｃ，２３ｄに対向して位置している。
【００１５】
磁石２８は、磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄにバイアス磁場を印加するとともに、その磁力により、常時は、磁性体球２２ａ〜２２ｄをそれぞれ案内溝２３ａ〜２３ｄの中心軸Ｃ側の一端に当接させて保持する。このため、磁性体球２２ａ〜２２ｄの直径をＤ、案内溝２３ａと案内溝２３ｂの間隔（あるいは案内溝２３ｃと案内溝２３ｄの間隔）をｄ１、磁石２８の直径をｄ２とすると、ｄ２が略（ｄ１＋２Ｄ）と等しくなるように各寸法Ｄ，ｄ１，ｄ２を設定することが好ましい。
【００１６】
このときの磁性体球２２ａ〜２２ｄの位置が、磁性体球２２ａ〜２２ｄのそれぞれの初期位置となる。そして、磁性体球２２ａ〜２２ｄが初期位置にあるときに、磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄの中心と磁性体球２２ａ〜２２ｄの中心がそれぞれ略合致している。磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄからはそれぞれリード端子３２が引き出され、これらリード端子３２は、樹脂３１を通して樹脂ケース２９の外部に引き出されている。
【００１７】
磁気抵抗素子Ｒａ，Ｒｂは、図４に示すように、電源３３の両端に直列に接続され、その中間接続点に出力端子３４が接続されている。出力端子３４から取り出される出力電圧Ｖｘは、加速度のＸ方向成分に対応している。また、二つの磁気抵抗素子Ｒｃ，Ｒｄは、電源３３の両端に直列に接続され、その中間接続点に出力端子３５が接続されている。出力端子３５から取り出される出力電圧Ｖｙは、加速度のＹ方向成分に対応している。
【００１８】
磁性体球２２ａ〜２２ｄが初期位置にあるときの出力電圧をそれぞれＶｘ0，Ｖｙ0とすると、加速度の大きさは、関係式ΔＶｘ＝Ｖｘ−Ｖｘ0，ΔＶｙ＝Ｖｙ−Ｖｙ0より（ΔＶｘ2＋ΔＶｙ2）1/2となり、方向はａｒｃｔａｎ（ΔＶｙ／ΔＶｘ）により知ることができる。
【００１９】
次に、以上の構成からなる加速度センサ２１を用いた加速度の検出について説明する。加速度センサ２１において、加速度が加わっていないときには、四つの磁性体球２２はいずれも磁石２８の磁力により、案内溝２３ａ〜２３ｄの各一端に当接して初期位置に保持されている。このとき、図５（ａ）に示すように、磁性体球２２ａ〜２２ｄの中心と磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄの中心は、それぞれ略重なって静止している。
【００２０】
次に、加速度センサ２１に、例えば図５（ｂ）において矢印αで示すように、Ｘ方向となす角がθ１の方向に加速度αが時刻ｔ１からｔ２まで加わったとする。このとき、磁性体球案内部材２４は加速度αの方向に移動するが、四つの磁性体球２２はいずれもその慣性力により、もとの位置に留まろうとする。ところが、磁性体球２２ｂ，２２ｄは、それぞれ案内溝２３ｂ，２３ｄの一端にて強制的に押され、案内溝２３ｂ，２３ｄの一端に当接したまま磁性体球案内部材２４とともに移動する。従って、磁性体球２２ｂ，２２ｄは磁性体球案内部材２４、言い換えると、磁気抵抗素子Ｒｂ及びＲｄに対しては静止している。このため、図６（ｃ），（ｅ）に示されるように、時刻ｔ１からｔ２の間で、磁気抵抗素子Ｒｂ及びＲｄの抵抗値変化はない。
【００２１】
これに対し、磁性体球２２ａ，２２ｃは、磁性体球案内部材２４の移動には追随せず、案内溝２３ａ，２３ｃの一端から離れ、磁石２８の吸引力に抗して見掛け上案内溝２３ａ，２３ｃの他端側に向かって移動する。このため、磁気抵抗素子Ｒａ及びＲｃに印加される磁場が弱くなり、図６（ｂ），（ｄ）に示すように、磁気抵抗素子Ｒａ及びＲｃの抵抗値が低下する。
【００２２】
時刻ｔ２に加速度αが加わらなくなると、案内溝２３ａ，２３ｃ内を移動した磁性体球２２ａ，２２ｃは、磁石２８の磁力により中心軸Ｃの方向に引き戻される。このとき、磁性体球２２ａ，２２ｃは、案内溝２３ａ，２３ｃの中心軸Ｃ側の一端に規制されてその回動を速やかに止められ、案内溝２３ａ，２３ｃの一端にそれぞれ当接する。一方、磁性体球２２ｂ，２２ｄは磁石２８の吸引力により案内溝２３ｂ，２３ｄの一端に当接したままである。従って、図５（ｆ），（ｇ）に示すように、出力端子３４，３５からそれぞれ出力される出力電圧Ｖｘ，Ｖｙの信号波形にはリンギングが生じない。こうして、時刻ｔ３に磁性体球２２ａ〜２２ｄは初期位置に戻る。
【００２３】
次に、加速度センサ２１に、図５（ｃ）において矢印βで示すように、Ｘ方向となす角がθ２の方向に、加速度の大きさが前述の加速度αより小さい加速度βが時刻ｔ３からｔ４まで加わったとする。このとき、磁性体球案内部材２４は加速度βの方向に移動するが、四つの磁性体球２２ａ〜２２ｄはいずれもその慣性力により、もとの位置に留まろうとする。ところが、磁性体球２２ａ，２２ｃはそれぞれ案内溝２３ａ，２３ｃの一端にて強制的に押され、案内溝２３ａ，２３ｃの一端に当接したまま磁性体球案内部材２４とともに移動する。従って、磁性体球２２ａ，２２ｃは磁性体球案内部材２４、言い換えると磁気抵抗素子Ｒａ及びＲｃに対しては静止している。このため、図６（ｂ），（ｄ）に示されるように、時刻ｔ３からｔ４の間で、磁気抵抗素子Ｒａ及びＲｃは、抵抗値変化はない。
【００２４】
これに対し、磁性体球２２ｂ，２２ｄは、磁性体球案内部材２４の移動には追随せず、案内溝２３ｂ，２３ｄの一端から離れ、磁石２８の吸引力に抗して見掛け上案内溝２３ｂ，２３ｄの他端側に向かって移動する。このため、磁気抵抗素子Ｒｂ及びＲｄに印加される磁場が弱くなり、図６（ｃ），（ｅ）に示すように、これら磁気抵抗素子Ｒｂ及びＲｄの抵抗値が低下する。
【００２５】
時刻ｔ４に加速度βが加わらなくなると、案内溝２３ｂ，２３ｄ内を移動した磁性体球２２ｂ，２２ｄは、磁石２８の磁力により中心軸Ｃの方向に引き戻される。このとき、磁性体球２２ｂ，２２ｄは、案内溝２３ｂ，２３ｄの中心軸Ｃ側の一端に規制されてその回動を速やかに止められ、案内溝２３ｂ，２３ｄの一端にそれぞれ当接する。一方、磁性体球２２ａ，２２ｃは磁石２８の吸引力により案内溝２３ａ，２３ｃの一端に当接したままである。図５（ｆ），（ｇ）に示すように、出力端子３４，３５からそれぞれ出力される出力電圧Ｖｘ，Ｖｙの信号波形にはリンギングが生じない。こうして、時刻ｔ５に磁性体球２２ａ〜２２ｄは初期位置に戻る。
【００２６】
このように、図１及び図２の構造を有する加速度センサ２１では、出力電圧Ｖｘ，Ｖｙの信号波形にリンギングが生じないことが分かる。従って、同方向で逆向きの加速度が繰り返し加わっても、その加速度を正確に検出することができる。
【００２７】
なお、本発明に係る加速度センサは前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。例えば、前記実施形態では、磁気検出素子として、磁気抵抗素子を例に説明したが、磁気検出素子としてはホール素子等を使用することもできる。また、磁性体球案内部材に設けられる案内溝は、必ずしも直交する２方向に沿って設ける必要はなく、放射状に設けられていればその配設位置は任意である。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、放射状に設けられた少なくとも四つの案内溝内にそれぞれ自在に転動する磁性体球を配置することにより、加速度が加速度センサに加わって磁性体球が案内溝内を磁石の磁力に抗して移動した後、加速度センサの加速度が零となると、磁性体球は磁石の吸引力を利用して初期位置に戻る。このとき、磁性体球は案内溝の一端に規制されて、ダンピング振動を発生させることなく、速やかに案内溝の一端に当接した状態で静止することができ、二次元方向の加速度を応答性良く検出することができる二次元加速度センサを得ることができる。また、磁性体球を使用して加速度を検出しているので、加速度センサの構造も比較的簡単で、形状も小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る加速度センサの一実施形態を示す分解斜視図。
【図２】図１の加速度センサの断面図。
【図３】図１の加速度センサの磁気抵抗素子の配置を示す平面図。
【図４】図１の加速度センサの磁気抵抗素子の接続回路図。
【図５】図１の加速度センサの動作説明図であり、（ａ）は加速度が零のときの磁性体球の位置を示す説明図、（ｂ）は加速度がαのときの磁性体球の位置を示す説明図、（ｃ）は加速度がβのときの磁性体球の位置を示す説明図。
【図６】加速度α及びβが加わったときの図１の加速度センサの磁気抵抗素子の抵抗変化及び図４の回路の出力波形図。
【図７】従来の加速度センサの一部切欠き斜視図。
【図８】図７の加速度センサに使用される磁気抵抗素子の配置を示す説明図。
【図９】図７の加速度センサの出力波形図。
【符号の説明】
２１…加速度センサ
２２ａ〜２２ｄ…磁性体球
２３ａ〜２３ｄ…案内溝
２４…磁性体球案内部材
２８…磁石
Ｒａ〜Ｒｄ…磁気抵抗素子
【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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