(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端を閉塞された筒型ハウジングと、
このハウジングの開口端に密着固定される蓋板とで密閉容器を構成し、
密閉容器内には導電性の液体が封入されており、
また容器内側の中心には所定の内径の細管を前記導電性液体に対してほぼ垂直に且つその一端が導電性液体に浸るように固定され、
細管にはその長手方向に沿って電極が設けられており、
前記導電性液体は細管内で毛管現象により周囲よりも液面が上昇しており、
この細管内の液面の位置変化による前記電極との接触面積の変化を抵抗値変化として出力することを特徴とする加速度センサー。
【請求項２】
蓋板には互いに絶縁された複数の電極が貫通固定されており、
これらの電極はそれぞれ細管の内周面にその長手方向に沿って固定され、
この細管内の液面の位置変化を前記電極間の抵抗値変化として出力することを特徴とする請求項１に記載の加速度センサー。
【請求項３】
細管の液体が出入りする先端近傍には少なくとも細管の断面積よりも開口面積の小さいオリフィスが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度センサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は重力方向の加速度変化を検出可能な加速度センサーに関するものであり、例えば落下センサーや、地震の縦揺れを検出してその揺れの大きさに応じた信号を出力可能な感震センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の加速度センサーにおいて、特に重力方向の加速度変化を見ることができるセンサーで実用化されているものは少ないが、例えば金属球のような慣性子と圧電素子や接点機構を使用したものや、半導体を使用したものなどがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら慣性子と圧電素子や接点機構を組み合わせたものは重力方向の加速度の増加と減少の両方を検出するには構造が複雑になると言う問題がある。つまり、重力方向には常に１Ｇの重力加速度がかかっているので、加速度変化を検出するためには慣性子をバネや梁などによって常に重力に対して保持しながら、加速度が変化した際には接点機構などを駆動したり半導体の検出部を充分に変位させるのに充分なストロークで慣性子を上下方向に移動可能な構造としなければならない。また横方向の加速度によって慣性子が動かないように、または接点機構や検出部を駆動することが無いような構造としなければならない。また特に接点機構を組み合わせたものは加速度の変化量を連続的な信号として得ることができない。
【０００４】
さらにセンサーとして１Ｇ以下の加速度変化を確実に検出できる感度を得るためには、検出部分を１Ｇ以下の加速度で必要な変位を生じさせるような構造とする必要がある。しかしながら製造時や取付時においてセンサーが通常の取り扱いで瞬間的に受ける衝撃加速度は数Ｇから数十Ｇに及ぶことがあり、センサーの検出部分を前述のような構造とした場合には強度の観点より上記取扱時の衝撃によって破壊に至る可能性がある。そのためにセンサーは慎重に取り扱う必要があり、その製造や取扱時の能率が低下する原因となっている。また過負荷に対する検出部分の保護のために緩衝機構を備えたものもあるが、構造が複雑となりコストが高くなると言う問題がある。
【０００５】
そのため、取扱いが容易で且つ小型で且つ加速度の大きさに対応した連続的な信号を得ることのできるセンサーが求められている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明の加速度センサーにおいては、一端を閉塞された筒型ハウジングと、このハウジングの開口端に密着固定される蓋板とで密閉容器を構成し、密閉容器内には導電性の液体が封入され、また容器内側の中心には所定の内径の細管を前記導電性液体に対してほぼ垂直に且つその一端が導電性液体に浸るように固定され、細管にはその長手方向に沿って電極が設けられており、前記導電性液体は細管内で毛管現象により液面が上昇しており、この細管内の液面の位置変化による前記電極との接触面積の変化を抵抗値変化として出力することを特徴としている。
【０００７】
本加速度センサーにおいては重力方向の加速度が変化すると毛管現象により細管内を上昇している液体の液面位置が変化することを利用し、この液面位置の変化を細管に設けられた電極と液体との接触面積の変化による抵抗値変化として検出することで重力方向の加速度変化を測定することができる。
【０００８】
また請求項２に記載の加速度センサーにおいては、蓋板には互いに絶縁された複数の電極が貫通固定されており、これらの電極はそれぞれ細管の内周面にその長手方向に沿って固定され、この細管内の液面の位置変化を前記電極間の抵抗値変化として出力することを特徴としている。
【０００９】
この加速度センサーにおいては、液面位置の変化を細管内に設けられた複数の電極間の抵抗値変化として検出することで重力方向の加速度変化を測定することができる。また細管内に複数の電極を設けることにより電極間の距離が近くなり比較的固有抵抗値の高い液体を使用することも可能になる。
【００１０】
また請求項３に記載の加速度センサーにおいては、細管の液体が出入りする先端近傍に開口面積が少なくとも細管の断面積よりも小さいオリフィスが設けられていることを特徴としている。
【００１１】
この加速度センサーによれば、細管への液体の出入りにおいてオリフィスが液体の急激な流れを抑えまた運動エネルギーを減衰させることにより、加速度センサーが繰り返しの振動加速度を受けた時にも液体の固有振動数が振動加速度の周波数と一致することを防ぎ、それに伴なう共振現象の発生を抑え、また液体の移動速度を抑えることによって特に感震センサーとして使用される場合に不必要な高い周波数域でのセンサーの感度を低下させて地震以外の生活振動等を原因とするノイズ信号の発生を抑える事ができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の加速度センサーについて説明する。図１はこの加速度センサーの縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面矢視図である。この加速度センサー１は一端を閉塞されたほぼ円筒形の金属製ハウジング２と、円板状の金属製蓋板３を有し、この蓋板３はその周縁部を前記ハウジング２の開口側端部に抵抗溶接などにより密着固定されることにより気密容器を構成している。ここでハウジング２及び蓋板３は必ずしも金属製とする必要は無く、液密性が確実に保たれるのであれば樹脂やセラミックスで構成してもよい。
【００１３】
蓋板３の中央には貫通孔３Ａが設けられており、この貫通孔３Ａには２本の電極４Ａ、４Ｂが挿通されて互いに絶縁された状態でガラスなどの電気絶縁性材料５によって封着固定されている。蓋板３の密閉容器内側には所定の導電性液体６が封入されている。この導電性液体６は導電性を有することはもちろん、この加速度センサーが使用される温度範囲で所要の流動性を保つ必要があり、例えばメチルアルコールやエチルアルコールのように固有抵抗値が比較的低いアルコール類を使用したり、プロピオン酸メチルやプロピオン酸エチルなどのエステル類のような比較的固有抵抗値が高い液体に硝酸リチウムなどの導電材を溶解させた液体などを使用することができる。もちろんアルコール類に導電材を溶解させて導電率を調整してもよいことは言うまでもない。
【００１４】
容器内の中央には正規姿勢において導電性液体６の液面に対して垂直になるように電気絶縁性の細管７が設けられている。このように配置することによって細管７は容器の中心軸上に位置することになり、センサー容器が若干傾斜した場合にも中心となる細管の位置での液面は変化することは無い。細管７の材質は導電性液体６によって一部または全部が溶解したり液体を変質させたりせず、液体との接触角が小さくさらに液体が浸透しないものが求められ、ガラスやエンジニアリングプラスチック、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂やＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂などを使用することが好ましい。
【００１５】
この細管７の下端７Ｂに位置する中空部７Ａの開口部には中空部７Ａの内径よりも直径の小さいオリフィス７Ｃが設けられており、導電性液体６はここから中空部７Ａ内に出入りする。ここで開口部であるオリフィス７Ｃは真下を向き且つ中空部７Ａは重力方向に伸びているので、加速度センサー１に地震の横揺れや衝撃が加えられて液体６が容器２内を横方向に移動した場合にもそれに伴なう中空部７Ａ内への液体の出入りはほとんど無い。また細管中では液体の表面張力などにより横方向の加速度による液体の偏りもほとんど発生しないので、センサーは確実に縦方向、つまり重力方向の加速度の変化を検出することができる。また細管７の蓋板３に当接した上端部７Ｄには少なくともひとつの切欠き７Ｅが設けられ、導電性液体６の中空部７Ａ内への流入・流出を阻害しないように容器内の気体が中空部７Ａ内に自由に出入りできるようにされている。
【００１６】
さらに中空部７Ａの内壁にはその長手方向に沿って前記電極４Ａ、４Ｂが設けられており、オリフィス７Ｃを通してこの中空部７Ａ内に流入した導電性液体６がこれらの電極４Ａ、４Ｂ間を導通状態にする。またこの実施例では下端７Ｂには脚部７Ｆが設けられハウジング２の底面に当接することにより細管７を支えているが、接着などの方法で細管上端部７Ｄを蓋板３に固定するのであれば、脚部７Ｆは省略しても良い。
【００１７】
ここで電極間の抵抗値は電極間距離と導電性液体の固有抵抗値、及び電極と導電性液体との接触面積で決まる。このうち電極間距離と液体の固有抵抗値は加速度によって変化することは無いので抵抗値変化は電極と導電性液体との接触面積、つまり毛管現象による液体の上昇量によって決まる。
【００１８】
この毛管現象による加速度と液面の上昇量との関係について説明する。導電性液体６の毛管現象による上昇量ｈは、細管７の中空部７Ａの断面形状を円とみなした場合、その半径をｒ、液体の密度をρ、液体の表面張力をγ、接触角をθ、重力方向の加速度をｇとすれば、
ｈ＝２γｃｏｓθ／ｒρｇ
となる。ここで例えば細管をガラスで作り、導電性液体としてメチルアルコールを使用した場合には接触角はほぼ０°であることからｃｏｓθは１とみなすことができるので、実質的に
ｈ＝２γ／ｒρｇ
となる。ここで液体の表面張力γ、密度ρ、及び中空部７Ａの半径ｒは定数であるのに対して、加速度ｇは変数であり、定常的な重力加速度ｇ０とそれ以外の重力方向の加速度ｇ１との和、つまりｇ＝ｇ０＋ｇ１となる。ここから判るようにセンサーが加速度ｇ１を受けると重力方向の加速度ｇの値が増加または減少し、この加速度変化に対応して液面が移動する。この液面の移動に伴なって細管７に設けられた電極４Ａ、４Ｂと導電性液体６との接触面積が変化し、それに対応して電極間の抵抗値が変化する。この抵抗値の増減から加速度の大きさを確実に検出することができる。
【００１９】
この例においては細管７の下端７Ｂに中空部７Ａの内径よりも直径の小さいオリフィス７Ｃを設けているが、その目的は導電性液体６の流れに対する減衰効果を得ることにある。この点について図３及び図４を参照して説明する。これらのグラフはセンサーに重力方向の正弦波加速度を一定の大きさで加えた場合における、振動周波数と電極間の抵抗変化の最大値との関係を示すグラフであり、図３は細管にオリフィスを設けず中空部をそのまま下端まで貫通させた場合、図４は細管先端部にオリフィスを設けた場合のグラフである。
【００２０】
このセンサーに対して重力方向の加速度（もしくは減速度）が加えられると、細管中の液体は加速度の変化に対応して液面を上下動させて電極間の抵抗値を変化させる。例えば図３のグラフの測定をした内径２mmの細管を有した例では静止時には電極間の抵抗値は390ｋΩであるのに対して、大きさ200galで１Hzの正弦波の加速度を加えた場合には電極間の抵抗値は290〜510ｋΩになり、静止状態からの抵抗値変化量の最大値は120kΩとなる。
【００２１】
ところでこの液体は細管に流れ込む際に、バランスする位置を慣性により一旦超えて流れ込み、元に戻るために逆流をする、と言う動きを繰り返すので液体の流れに振動が発生する。しかし例えばこのセンサーを落下センサーなどとして使用する場合には、外部から加えられる加速度は繰り返さないので液体の振動は電極や壁面等との摩擦等によって減衰されすぐに収束する。
【００２２】
しかし繰り返しの振動加速度が加えられた場合には、液体の振動と加えられた振動加速度が同期すると液体の振動は収束せず逆に増幅される可能性がある。例としては感震センサーとしての特性を検査するために地震波の代用としてセンサーに重力方向に正弦波の振動加速度を連続的に加えると、中空部の直径や液体の粘度などによって決まる共振周波数付近の振動に対しては液体の上下動が大きくなり電極間の抵抗値変化が大きくなってしまう。
【００２３】
例えば細管の直径を２mmとした図３の例では振動周波数５〜６Hzの付近に液体の共振周波数が存在するために、同じ大きさの加速度であってもこの共振周波数付近の振動による抵抗値の変動は振動周波数１Hzの場合と比較して２倍程度となり、またその前後の振動周波数に対しても図３に曲線１１で示す如く抵抗値変化を生じる。そのため実際に加えられた振動加速度が所定の大きさに達していなくてもセンサーの抵抗値変化が所定の値に達してしまい、センサーからの信号で駆動される判定装置が誤作動を起こす可能性がある。また実際の地震波が印加された場合においても、地震波はいくつもの周波数成分の振動から合成されているためにセンサーの共振周波数に近い周波数成分が地震波に含まれていると液体が共振を起こして出力値が大きくなってしまう。
【００２４】
そこで実施例の加速度センサー１においては図１及び図２に示すように細管７の下端７Ｂに中空部７Ａの断面積よりも開口面積の小さいオリフィス７Ｃを設けたことにより、中空部７Ａ内への液体６の流入速度及び流出速度が遅くなるとともにその出入りの際に液体６の運動エネルギーが奪われ振動が減衰されるので共振が起き難くなる。実施例では直径２mmの中空部の下端に直径１mmのオリフィス７Ｃが設けられており、液体６はこのオリフィス７Ｃを通って中空部７Ａに出入りする構造とされている。その減衰効果は振動周波数が高くなるほど、つまり液体の移動速度が速くなるほど大きくなるので、オリフィスを設けることにより図４に示すように低い振動周波数では抵抗値の変化量に大きな影響を与えず、特に共振の影響が出る５Hz以上の振動周波数に対しては減衰効果を得ることができる。
【００２５】
地震波の有する周波数成分は主に１０Hz以下、特に１〜５Hzを中心としているが、前記オリフィスを設けることによりこの周波数領域の振動成分による共振の発生を抑えるとともに検出感度をほぼ一定にそろえることができる。そのため地震の振動に対して常に安定した感度を得ることができる。また地震以外の生活振動は主に１０Hzを超えた高い周波数であり通常は液体による固有振動数よりも充分高いのでその動きは充分に抑制されるが、例えば感震装置に物や人体があたって衝撃が加えられた場合には地震の振動と比較して大きな振動となるので抑制が不充分になる場合がある。しかしオリフィスを設けることにより液体の移動はさらに効果的に減衰されるので、高い周波数の振動に対してはセンサーからの信号はほとんど変化せず、上記生活振動や衝撃による振動を地震によるものと誤認識する可能性が低くなる。
【００２６】
以上、細管にオリフィスを設けたものについて説明したが、例えば落下センサーのように繰り返しの振動以外の加速度を検出する場合は液体が共振を起こす可能性は無くオリフィスを設けなくてもよい。さらに細管の中空部の直径を変えたり液体の粘度を調整する事により共振周波数を実際上の使用に支障の無い低い領域または高い領域に移動させることでオリフィスを省略してもよい。
【００２７】
また上述の例においては蓋板に複数の電極を設け各電極を電気絶縁物製の細管内に配置したものについて説明したが、例えば細管そのものを一方の電極とすることもできる。この例について図５を参照しながら説明する。なお前述の例と同様の部品には同じ記号を付して詳細な説明は省略する。
【００２８】
この加速度センサー２１は金属製のハウジング２と蓋板２３で密閉容器を構成している。蓋板２３の貫通孔２３Ａには電極である導電端子２４が挿通され、電気絶縁性充填材５によって封着固定されている。ハウジング２の中央には金属などで作られた導電性の細管２７が配置されており、この細管２７はハウジング２の底面に固着部２７Ａを溶接するなどして導電的に固定されている。細管２７の下端の固着部２７Ａには液体の流入孔２７Ｂが設けられており、ここから流入した導電性液体６が細管２７内を毛管現象により上昇する。さらに前記導電端子２４はこの細管２７の中心に細管の内壁と所定の距離を保って位置するように挿入固定されている。この実施例においては導電端子２４の容器内部側先端部には、位置決め用に電気絶縁製のキャップ２８が固定されている。このキャップ２８の周囲と細管２７内壁との間には導電性液体６が流通可能な隙間がもうけられこの隙間がオリフィスとしての役割も果たしている。
【００２９】
この加速度センサーにおいて重力方向の加速度が変化すると、前述の例と同様に毛管現象による細管２７内の導電性液体の流入量が変化する。これにより導電端子２４と細管２７との間の導電性液体６を介した抵抗値が変動するので、この変動から落下や振動等を検出することができる。
【００３０】
なお、この実施例では細管２７をハウジング２の底面中心に導電的に固定したが、例えば固着部２７Ａを蓋板２３の金属部分に固定してその中心に導電端子が所定の距離を保って位置するようにしてもよい。
【００３１】
なお、この実施例において導電端子と細管との位置関係を確保でき尚且つオリフィスを必要としない場合には位置決めとオリフィスとを兼ねたキャップ２８を省略することができる。また例えば密閉容器内の毛管現象の影響が無い位置に他方の電極を配置したり、金属製の細管に直接第二の導電端子を固着して外部への電極としてハウジング外へ導出するのであれば必ずしもハウジングや蓋板を導電性とする必要は無い。
【００３２】
【発明の効果】
本加速度センサーにおいては重力方向の加速度の増減に伴ない毛管現象により細管内を上昇する液体の液面位置が変化することを利用し、細管内に電極を配置し液体として導電性液体を使用することで、細管内の液面位置の変化量に応じた電極間の連続的な抵抗値変化として重力方向の加速度変化を検出することができる。また慣性体として液体が使用されているので、１Ｇ以下の加速度変化を検出できる一方、組付時やその他の取扱い時において受ける可能性のある数Ｇから数十Ｇの衝撃加速度で検知部が破壊されることのないセンサーを提供することができる。
【００３３】
また、細管の液体が出入りする先端近傍に開口面積が少なくとも細管の断面積よりも小さいオリフィスを設けることにより、このオリフィスが細管への液体の出入りにおける流速を抑えると同時に運動エネルギーを減衰し、加速度センサーが繰り返しの振動加速度を受けた時にも特定の振動周波数での液体の共振現象の発生を抑えることができる。また液体の移動速度を抑えることによって特に感震センサーとして使用される場合に不必要な高い周波数域でのセンサーの感度を落として地震以外の生活振動を原因とする信号の発生を抑える事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加速度センサーの構造を示す縦断面図
【図２】図１の加速度センサーのＡ−Ａ断面矢視図
【図３】本発明の加速度センサーの細管にオリフィスを設けない場合の振動周波数と電極間の抵抗変化との関係を示すグラフ
【図４】本発明の加速度センサーの細管にオリフィスを設けた場合の振動周波数と電極間の抵抗変化との関係を示すグラフ
【図５】本発明の加速度センサーにおける他の実施例の構造を示す縦断面図
【符号の説明】
１、２１：加速度センサー
２：ハウジング
３、２３：蓋板
４：電極
５：絶縁性充填材
６：導電性液体
７：細管
７Ａ：中空部
７Ｃ：オリフィス
２４：導電端子（電極）
２７：細管（電極）
【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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