JPH09222367A

JPH09222367A - 力検出センサ

Info

Publication number: JPH09222367A
Application number: JP5076396A
Authority: JP
Inventors: Naoko Kawamura; 尚古川村; Masatoshi Hayakawa; 正俊早川; Toshio Aizawa; 俊雄相沢
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 1997-08-26

Abstract

(57)【要約】【課題】構成を簡単にすると共に、精度を向上させ
る。【解決手段】２つの着磁体２１，２２は、可変インピ
ーダンス素子２３側の端部が互いに異なる磁極となるよ
うに着磁され、所定の磁界を発生する。可変インピーダ
ンス素子２３は磁界の変化に応じてインピーダンスが変
化する。力検出センサに対してｘ方向に外力が加えられ
ると、連結部材１４および板ばね１５を介して支持台１
２に連結された着磁体２１，２２がｘ方向に変位し、着
磁体２１，２２と可変インピーダンス素子２３との相対
的位置関係が変化し、その結果、可変インピーダンス素
子２３に対する磁界が変化し、可変インピーダンス素子
２３のインピーダンスが変化する。従って、可変インピ
ーダンス素子２３のインピーダンスに応じた信号を検出
することによって外力の大きさを求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば衝撃検出セ
ンサとして利用可能な力検出センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、衝撃等による外力を検出するこ
とは、加速度を検出したり、速度や角速度を検出して微
分したりすることで可能となる。従って、例えば自動車
の衝突を検出するための衝撃検出センサとして、加速度
センサや角速度センサを利用することができる。従来の
加速度センサとしては、圧電素子を利用した圧電式加速
度センサが知られている。この圧電式加速度センサは、
圧電素子と、この圧電素子に接合された重りとを有し、
加速度αによって質量ｍの重りに力Ｆ＝ｍαが発生し、
この力Ｆによって圧電素子に生じる電荷により加速度に
応じた信号を得ることができるようになっている。ま
た、従来の角速度センサとしては、ピエゾジャイロのよ
うに、やはり圧電素子を利用したものが知られている。
ピエゾジャイロでは、振動体に駆動用圧電素子と検出用
圧電素子とが取り付けられ、駆動用圧電素子によって振
動体を振動させ、角速度によって振動体に作用するコリ
オリ力を検出用圧電素子を用いて検出するようになって
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の圧電式加速度センサやピエゾジャイロで
は、構造が複雑でコストが高いという問題点や、ドリフ
トや温度特性が大きく精度が劣るという問題点があっ
た。また、角速度センサでは、角速度の変化がない限り
加速度や外力（衝撃）を検出することができないと共
に、加速度や外力（衝撃）を検出するには角速度を１回
微分する必要があり、衝撃等の外力を検出するセンサと
して使用するには不向きである。

【０００４】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その課題は、構成が簡単であると共に、精度の高
い力検出センサを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の力検出センサ
は、所定の磁界を発生させる磁界発生部と、磁界の変化
に応じてインピーダンスが変化する可変インピーダンス
素子と、外力に応じて磁界発生部と可変インピーダンス
素子との相対的位置関係が変化するように磁界発生部お
よび可変インピーダンス素子を支持する支持手段と、可
変インピーダンス素子のインピーダンスに応じた信号を
検出する検出手段とを備えたものである。

【０００６】本発明の力検出センサでは、外力が生じる
と、磁界発生部と可変インピーダンス素子との相対的位
置関係が変化し、その結果、可変インピーダンス素子の
インピーダンスが変化する。従って、検出手段によって
可変インピーダンス素子のインピーダンスに応じた信号
を検出することによって、外力を求めることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【０００８】図１は本発明の一実施の形態に係る力検出
センサの構成を示す斜視図である。この図に示したよう
に、本実施の形態に係る力検出センサは、支持板１１
と、この支持板１１上に固着された直方体形状の２つの
支持台１２，１３と、所定の磁界を発生させる磁界発生
部としての板状の２つの着磁体２１，２２と、２つの着
磁体２１，２２が上下方向に所定の間隔で平行に対向す
るように２つの着磁体２１，２２の各一端部を連結する
連結部材１４と、一端部が連結部材１４に接合され、他
端部が支持台１２の側部に接合され、着磁体２１，２２
を上下方向に変位可能に支持する板ばね１５と、支持台
１３上に接合され、磁界の変化に応じてインピーダンス
が変化する可変インピーダンス素子２３とを備えてい
る。支持板１１、支持台１２，１３、連結部材１４およ
び板ばね１５が本発明における支持手段に対応する。

【０００９】着磁体２１，２２は、それぞれ、例えばフ
ェライトによって形成され、形状は例えば長さ２０ｍ
ｍ、幅５ｍｍ、厚み１ｍｍとしている。

【００１０】可変インピーダンス素子２３は、細長い板
状の強磁性体部２３ａと、この強磁性体部２３ａの周囲
に巻回された巻線２３ｂとを有している。強磁性体部２
３ａは、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ系のアモルファス等の強磁
性体によって形成されている。このような強磁性体の組
成の一例としては、Ｃｏ７１．２％，Ｆｅ４．８％，Ｓ
ｉ１５％，Ｂ９％が挙げられる。強磁性体部２３ａの形
状は、例えば長さ２０ｍｍ、幅０．２ｍｍ、厚み５０μ
ｍとしている。巻線２３ｂは、例えば導線を２００回巻
回して形成されている。強磁性体によって形成される強
磁性体部２３ａは外部磁界の変化により透磁率が変化す
る。強磁性体部２３ａの周囲に巻線２３ｂを巻回してな
る可変インピーダンス素子２３のインダクタンスは強磁
性体部２３ａの透磁率に比例するため、可変インピーダ
ンス素子２３のインダクタンスおよびインピーダンスは
外部磁界の変化により変化することになる。

【００１１】図２は、図１に示した力検出センサにおい
て側方から見た着磁体と可変インピーダンス素子との位
置関係を示す説明図である。この図に示したように、２
つの着磁体２１，２２は所定の間隔２ａ（例えば２ａ＝
５ｍｍ）で平行に対向配置されている。ここで、図１に
示したように、着磁体２１，２２の厚み方向をｘ方向、
幅方向をｙ方向、長さ方向をｚ方向とすると、可変イン
ピーダンス素子２３は、２つの着磁体２１，２２と平行
に配置されていると共に、ｘ方向の位置では２つの着磁
体２１，２２の中間位置となり、ｙ方向の位置では図１
に示したように２つの着磁体２１，２２との距離が所定
の距離ｈ（例えばｈ＝３ｍｍ）となり、ｚ方向の位置で
は着磁体２１，２２と同じ位置となるように配置されて
いる。着磁体２１，２２は、連結部材１４および板ばね
１５を介して支持台１２に連結されているため、力検出
センサに対してｘ方向に衝撃等による外力が加えられる
と、着磁体２１，２２がｘ方向に変位し、着磁体２１，
２２と可変インピーダンス素子２３との相対的位置関係
が変化するようになっている。

【００１２】２つの着磁体２１，２２は、可変インピー
ダンス素子２３側の端部が互いに異なる磁極となるよう
に着磁されている。ここでは、図１に示したように、着
磁体２１は、可変インピーダンス素子２３側の端部がＮ
極、反対側の端部がＳ極となるように着磁され、着磁体
２２は、可変インピーダンス素子２３側の端部がＳ極、
反対側の端部がＮ極となるように着磁されているものと
する。

【００１３】図４は、本実施の形態に係る力検出センサ
において可変インピーダンス素子２３のインピーダンス
に応じた信号を検出するための検出手段を構成する検出
回路を示す回路図である。この検出回路では、可変イン
ピーダンス素子２３の巻線２３ｂの一端には電源電圧Ｖ
_CCが印加され、他端はトランジスタ３１のコレクタおよ
び増幅回路３４の入力端に接続されている。トランジス
タ３１のエミッタは抵抗器３２を介して接地され、ベー
スは高周波電源３３に接続されている。高周波電源３３
は、例えば１ＭＨｚの高周波電圧をトランジスタ３１の
ベースに印加するようになっている。増幅回路３４の出
力端は、増幅回路３４の出力を整流検波する整流検波回
路３５の入力端に接続されている。この検出回路では、
可変インピーダンス素子２３のインピーダンスが変化す
ると、トランジスタ３１のコレクタに印加される電圧が
変化するため、整流検波回路３５の出力レベルが変化す
る。

【００１４】次に、本実施の形態に係る力検出センサの
作用について説明する。

【００１５】本実施の形態に係る力検出センサでは、２
つの着磁体２１，２２によって所定の磁界が発生され
る。力検出センサに対してｘ方向に外力が加えられる
と、連結部材１４および板ばね１５を介して支持台１２
に連結された着磁体２１，２２がｘ方向に変位し、着磁
体２１，２２と可変インピーダンス素子２３との相対的
位置関係が変化する。ここで、ｘ方向の外力の大きさを
Ｆ、この外力による着磁体２１，２２のｘ方向の変位量
をｘ_aとすると、変位量ｘ_aは、次の（１）式のように
表される。なお、ｋは比例係数（ばね定数）である。

【００１６】

【数１】ｘ_a＝ｋ・Ｆ …（１）

【００１７】なお、外力が加速度による場合は、外力の
大きさは加速度の大きさに比例した値となる。

【００１８】一方、可変インピーダンス素子２３の位置
において、着磁体２１，２２によって発生される磁界の
ｙ方向の成分をＨ_yとすると、Ｈ_yとｘ_aとの関係は、
次の（２）式のように表される（ＪｏｈｎＣ．Ｍａ
ｌｌｉｎｓｏｎ著、林和彦訳「磁気記録の基礎」（丸善
株式会社発行）の第５０ページ参照）。また、（２）式
の関係を図３に示す。

【００１９】

【数２】Ｈ_y∝ｔａｎ^-1（ｘ_a／ａ） …（２）

【００２０】（１）式と（２）式より、外力に応じて着
磁体２１，２２と可変インピーダンス素子２３との相対
的位置関係が変化して可変インピーダンス素子２３に対
する磁界が変化し、その結果、可変インピーダンス素子
２３のインダクタンスおよびインピーダンスが変化する
ことが分かる。従って、可変インピーダンス素子２３の
インダクタンスまたはインピーダンスに応じた信号を検
出することによって外力の大きさＦを求めることができ
る。図４に示した検出回路では、可変インピーダンス素
子２３の巻線２３ｂの一端に電源電圧Ｖ_CCが印加され、
トランジスタ３１のベースに高周波電圧が印加され、巻
線２３ｂの他端とトランジスタ３１のコレクタとの接続
点の電圧が増幅回路３４で増幅され、増幅回路３４の出
力が整流検波回路３５によって整流検波される。この検
出回路では、外力に応じて可変インピーダンス素子２３
のインピーダンスが変化すると、整流検波回路３５の出
力レベルが変化する。図５は、外力の大きさＦと整流検
波回路３５の出力電圧との関係の一例を示したものであ
る。この図から分かるように、整流検波回路３５の出力
電圧から外力の大きさＦを求めることができる。

【００２１】このように本実施の形態に係る力検出セン
サは、外力の大きさを求めることができるので、例え
ば、自動車等の衝突を検出するための衝撃検出センサと
して利用することができる。また、外力は加速度や圧力
によっても発生するので、本実施の形態に係る力検出セ
ンサは、加速度センサや圧力センサとして利用すること
もできる。

【００２２】以上説明したように本実施の形態に係る力
検出センサによれば、従来の圧電素子を利用したセンサ
に比べて、構成が簡単で小型化および低コスト化が可能
になると共に、感度が大きくドリフトや温度特性が小さ
いため精度が向上する。また、角速度センサのように角
速度を１回微分することなく、整流検波回路３５の出力
からそのまま、加速度や外力を求めることができる。

【００２３】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、例えば、磁界発生部としては、着磁体２１，２２の
代わりに、磁気ヘッドのように任意の大きさの磁界を発
生可能な素子を設けても良い。また、上記実施の形態で
は外力に応じて磁界発生部（着磁体２１，２２）が変位
するようにしたが、磁界発生部を固定すると共に可変イ
ンピーダンス素子２３をばね等により変位可能に支持し
て、外力に応じて磁界発生部と可変インピーダンス素子
２３との相対的位置関係が変化するようにしても良い。
また、強磁性体部２３ａの形状および材料等の条件は用
途等に応じて適宜に設定することができる。また、検出
手段の構成は、図４に示したものに限定されず、例え
ば、可変インピーダンス素子２３をＬＣ（インダクタン
ス・コンデンサ）発振器のＬ（インダクタンス）となる
ように構成し、ＬＣ発振器の発振周波数の変化を検出す
るようにしても良い。

【００２４】また、地磁気の影響を防ぐために、図１に
示した各構成要素を、例えばＦｅとＮｉの合金で形成さ
れたシールドケースで囲って磁気遮蔽を行っても良い。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の力検出セン
サによれば、外力に応じて磁界発生部と可変インピーダ
ンス素子との相対的位置関係が変化して可変インピーダ
ンス素子のインピーダンスが変化するようにし、検出手
段によって可変インピーダンス素子のインピーダンスに
応じた信号を検出することによって外力を求めるように
したので、構成が簡単であると共に、感度が大きくドリ
フトや温度特性が小さいため精度が向上するという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る力検出センサの構
成を示す斜視図である。

【図２】図１に示した力検出センサにおいて側方から見
た着磁体と可変インピーダンス素子との位置関係を示す
説明図である。

【図３】図１に示した力検出センサの可変インピーダン
ス素子の位置における磁界のｙ方向の成分と着磁体のｘ
方向の変位量との関係を示す特性図である。

【図４】本発明の一実施の形態に係る力検出センサにお
いて可変インピーダンス素子のインピーダンスに応じた
信号を検出するための検出回路を示す回路図である。

【図５】外力と図４における整流検波回路の出力電圧と
の関係の一例を示す特性図である。

【符号の説明】

１１…支持板、１２，１３…支持台、１４…連結部材、
１５…板ばね、２１，２２…着磁体、２３…可変インピ
ーダンス素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の磁界を発生させる磁界発生部と、磁界の変化に応じてインピーダンスが変化する可変イン
ピーダンス素子と、外力に応じて前記磁界発生部と前記可変インピーダンス
素子との相対的位置関係が変化するように前記磁界発生
部および前記可変インピーダンス素子を支持する支持手
段と、前記可変インピーダンス素子のインピーダンスに応じた
信号を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする力
検出センサ。