JP2510275B2 - Acceleration sensor - Google Patents
Acceleration sensorInfo
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- JP2510275B2 JP2510275B2 JP1025994A JP2599489A JP2510275B2 JP 2510275 B2 JP2510275 B2 JP 2510275B2 JP 1025994 A JP1025994 A JP 1025994A JP 2599489 A JP2599489 A JP 2599489A JP 2510275 B2 JP2510275 B2 JP 2510275B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、2次元平面での加速度を検出する永久磁石
と、磁性流体を使用した加速度センサに関し、例えば車
両の前後、左右の2軸方向の加速度を検出するセンサ,
あるいは車両旋回時の角加速度を検出するセンサとして
用いて有効である。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an acceleration sensor using a permanent magnet for detecting acceleration in a two-dimensional plane and a magnetic fluid, for example, front and rear, left and right directions of a vehicle. Sensor that detects the acceleration of
Alternatively, it is effectively used as a sensor for detecting angular acceleration when the vehicle turns.
従来の加速度センサとしては、加速方向へ移動自在に
磁性流体をケースに封入し、該磁性流体に一定の磁気を
与える固定永久磁石と前記磁性流体の位置を検出するコ
イルを有し、該磁性流体の変位によって差動トランスを
構成する前記コイルに発生される起電力を測定し、その
大きさから加速度を検出するものなどが知られている
(例えば、特開昭60−133370号公報参照)。As a conventional acceleration sensor, a magnetic fluid is enclosed in a case so as to be movable in an accelerating direction, and a fixed permanent magnet that gives a certain magnetism to the magnetic fluid and a coil that detects the position of the magnetic fluid are provided. There is known one in which the electromotive force generated in the coils constituting the differential transformer is measured by the displacement of (1) and the acceleration is detected from the magnitude thereof (see, for example, JP-A-60-133370).
しかし、上記従来技術における加速度センサにおいて
は、磁性流体が空気等の他媒質中を移動するため気泡,
液泡等を生じ易く、また磁性流体の移動を容易にするた
めに複雑な構造を必要とするなどの問題点があった。
又、磁性流体の形状変化を検出する原理であるため、温
度変化による粘性変化、体積膨張等の影響を大きく受け
るという問題もあった。However, in the acceleration sensor according to the above-mentioned conventional technique, since the magnetic fluid moves in another medium such as air, bubbles,
There are problems that liquid bubbles and the like are likely to occur and that a complicated structure is required to facilitate the movement of the magnetic fluid.
In addition, since the principle is to detect the shape change of the magnetic fluid, there is a problem that it is greatly affected by the viscosity change, volume expansion, etc. due to the temperature change.
このため、出願人は先願として、特願昭63−30068号
(特開平2−138875号)を先に提案した。これは、空間
内に磁性流体を充満させ、空間の内容積形状を変え、空
間内の磁性流体中に置かれた永久磁石の発生磁束の磁路
を限定することにより、永久磁石の位置および特定方向
への動き易さを調整したものである。また、この考え方
を利用して特願昭63−243136号(特開平2−90061号)
も先に提案されている。Therefore, the applicant has previously proposed Japanese Patent Application No. 63-30068 (Japanese Patent Laid-Open No. 138875) as a prior application. This is because by filling the space with magnetic fluid, changing the inner volume shape of the space, and limiting the magnetic path of the magnetic flux generated by the permanent magnet placed in the magnetic fluid in the space, the position and identification of the permanent magnet can be determined. It adjusts the ease of movement in the direction. Further, by utilizing this concept, Japanese Patent Application No. 63-243136 (Japanese Patent Laid-Open No. 90061)
Has also been proposed earlier.
しかしながら、上記の先願は、いずれも永久磁石の周
方向に凹部凸部を設けることにより、永久磁石の回転を
阻止し、水平面内で、かつ前記凹部方向への直線運動の
みを許容した加速度センサであるが、周方向に凹部凸部
があるため、永久磁石の中心から見て多数軸方向へ永久
磁石が移動した場合に、永久磁石が受ける磁性流体の磁
気的弾力に差を生じ、多数軸方向への直線加速度を同一
ゲインで測定することは困難であった。また、永久磁石
の水平方向直線移動を阻止し、永久磁石の回転のみを許
容することができないため、角加速度センサとしては構
成できなかった。However, in each of the above-mentioned prior applications, an acceleration sensor that prevents the permanent magnet from rotating by providing a concave convex portion in the circumferential direction of the permanent magnet and allows only linear movement in the horizontal plane in the horizontal direction in the concave direction. However, since there are concave convex portions in the circumferential direction, when the permanent magnet moves in the multiple axis direction when viewed from the center of the permanent magnet, a difference occurs in the magnetic elasticity of the magnetic fluid that the permanent magnet receives, and It was difficult to measure linear acceleration in the same direction with the same gain. Further, since it is impossible to prevent the permanent magnet from linearly moving in the horizontal direction and to permit only the rotation of the permanent magnet, it cannot be configured as an angular acceleration sensor.
よって、本発明は、永久磁石の中心からみて多数軸方
向の平面上に作用する加速度を同一ゲインで測定可能で
あり、また、寸法の設定と磁気検出素子の個数および位
置を変えることによって、角加速度センサにもなり得る
磁性流体を利用した加速度センサを得ることを目的とす
る。Therefore, according to the present invention, it is possible to measure the acceleration acting on the plane in the multi-axis direction from the center of the permanent magnet with the same gain, and by setting the dimensions and changing the number and position of the magnetic detection elements, An object of the present invention is to obtain an acceleration sensor that uses a magnetic fluid that can also serve as an acceleration sensor.
このため、本発明は、片端面が開放された略円筒状の
空間を内側に形成した非磁性体製のメインハウジング、 前記メインハウジングの前記片端面を閉鎖すべく前記
メインハウジングに固定された非磁性体製のサブハウジ
ング、 前記メインハウジングの前記空間の底面に放射状に形
成された底面突起、 前記底面突起と対向して前記サブハウジングの前記空
間側側面に放射状に形成された上面突起、 前記空間内に充満して封入された磁性流体、 前記空間内に前記磁性流体と共に封入され、周面にお
いて径方向に着磁され、平面部が前記底面突起と前記上
面突起に対面するディスク状の永久磁石、 前記底面突起の各々と前記上面突起の各々とで形成さ
れた突起対相互間に設けられ、前記永久磁石の位置を検
出して検出出力を発生する 磁気検出素子を備えたものである。Therefore, the present invention provides a main housing made of a non-magnetic material having a substantially cylindrical space with one end face open, and a non-magnetic main housing fixed to the main housing to close the one end face of the main housing. A sub-housing made of magnetic material; a bottom projection radially formed on the bottom surface of the space of the main housing; a top projection radially formed on the space side surface of the sub housing facing the bottom projection; A magnetic fluid filled and sealed in the space, a disk-shaped permanent magnet that is sealed in the space together with the magnetic fluid, is magnetized in the radial direction in the circumferential surface, and has a flat surface portion facing the bottom surface projection and the top surface projection. A magnetic detection element that is provided between a pair of projections formed by each of the bottom surface projections and each of the top surface projections and that detects the position of the permanent magnet to generate a detection output. It has a child.
上記構成によれば、磁性流体が空間内に充満している
ので気泡が発生することがなく、また、永久磁石は自身
の磁力により、磁性流体中に浮遊する。According to the above configuration, since the magnetic fluid is filled in the space, no bubbles are generated, and the permanent magnet floats in the magnetic fluid due to its own magnetic force.
また、底面突起と上面突起とに永久磁石の平面部が対
面するように設けられ、この底面突起と上面突起とによ
って前記永久磁石の回転方向への阻止力、または回転方
向移動に対する弾性的復元力の設定が寸法と形状の設計
的調整によって自在に得られる。また、底面突起と上面
突起とは永久磁石の周面とは対面する必要がないため、
永久磁石の周囲いずれの方向に対しても、永久磁石の直
線移動を阻止することが可能であり、また、この直線移
動の方向には関係しないところの全周にわたって均一な
直線移動に対する弾性的復元力の設定も可能なため、永
久磁石の変位を検出することにより、多数軸方向の2次
元平面に作用する直線加速度を検出するセンサとして
も、また、永久磁石を中心とした角加速度を検出するセ
ンサとしても構成することができる。Further, the bottom surface projection and the top surface projection are provided so that the flat surface portions of the permanent magnets face each other, and the bottom surface projection and the top surface projection cause a blocking force in the rotation direction of the permanent magnet or an elastic restoring force against the movement in the rotation direction. Can be freely set by designing the dimensions and shape. Moreover, since the bottom surface projection and the top surface projection do not need to face the peripheral surface of the permanent magnet,
It is possible to prevent linear movement of the permanent magnet in any direction around the permanent magnet, and elastic restoration for uniform linear movement over the entire circumference that is not related to the direction of this linear movement. Since the force can be set, the sensor detects the displacement of the permanent magnet to detect the linear acceleration acting on the two-dimensional plane in the multi-axis direction, and also detects the angular acceleration centered on the permanent magnet. It can also be configured as a sensor.
本発明によれば、磁性流体の揺動による気泡発生がな
く、精度の高いセンサを構成できる。また、2次元平面
上の直進加速度を検出するセンサとしてはあらゆる角度
の加速度を検出できる。According to the present invention, it is possible to configure a highly accurate sensor without generating bubbles due to rocking of the magnetic fluid. Further, as a sensor for detecting a straight acceleration on a two-dimensional plane, it is possible to detect acceleration at any angle.
これによって、単に物体の前後方向のみでなく任意の
横方向の加速度を検出できるので、物体の挙動をより正
確に検出できる。また、物体旋回時の角加速度を検出す
るようにも構成でき、かつ、磁性流体と永久磁石の応用
によって、角加速度を直接的に、かつ非接触で高精度に
検出することができ、例えば車両の走行位置を検出する
案内装置に使用できる。As a result, not only the front-back direction of the object but also any lateral acceleration can be detected, so that the behavior of the object can be detected more accurately. It can also be configured to detect angular acceleration when the object is turning, and by applying magnetic fluid and a permanent magnet, it is possible to detect angular acceleration directly and with high accuracy in a non-contact manner. It can be used as a guide device for detecting the traveling position of the vehicle.
以下、本発明の第1実施例を図面に基づいて説明す
る。この第1実施例は永久磁石を回転させないで、直線
加速度を検出するものである。第1図(a)は第2図の
I−I線に沿う横断面図、第2図は第1実施例の縦断面
図である。Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the first embodiment, linear acceleration is detected without rotating the permanent magnet. FIG. 1 (a) is a transverse sectional view taken along the line II of FIG. 2, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the first embodiment.
1は非磁性体となるアルミニウム製のメインハウジン
グであり、片端面が開放された略円筒状の空間2を内側
に形成している。3はアルミニウム製のサブハウジング
であり、前記空間2の片端面を閉鎖すべく前記メインハ
ウジング1にスクリュー11a,11b及び図示されていない
スクリュー11c、11dにより固定されている。スクリュー
11a,11b、11c、11dは非磁性体でできている。Reference numeral 1 denotes a main housing made of aluminum, which is a non-magnetic body, and has a substantially cylindrical space 2 whose one end face is open inside. An aluminum sub-housing 3 is fixed to the main housing 1 by screws 11a and 11b and unillustrated screws 11c and 11d to close one end surface of the space 2. screw
11a, 11b, 11c and 11d are made of non-magnetic material.
第3図にメインハウジング1の斜視断面図を、第4図
にサブハウジング3の斜視図を示す。50a〜50bはメイン
ハウジング1の円筒空間2の底面に放射状に同一深さで
形成された底面突起であり、51a〜51dはサブハウジング
3の前記円筒空間2の閉鎖面、つまり空間側上面に放射
状に同一深さで形成された上面突起である。前記底面突
起50a〜50dは、前記上面突起51a〜51dとそれぞれ対応し
て対向しており、前記円筒空間2内に4組の突起対を形
成している。FIG. 3 shows a perspective sectional view of the main housing 1, and FIG. 4 shows a perspective view of the sub housing 3. Reference numerals 50a to 50b are bottom projections radially formed on the bottom surface of the cylindrical space 2 of the main housing 1 at the same depth, and 51a to 51d are radial surfaces on the closed surface of the cylindrical space 2 of the sub-housing 3, that is, the upper surface on the space side. The upper surface protrusions are formed to have the same depth. The bottom surface protrusions 50a to 50d face the top surface protrusions 51a to 51d, respectively, and form four pairs of protrusions in the cylindrical space 2.
サブハウジング3には前記円筒空間2と外部空間とを
連通させるべく小穴7が前記円筒空間2の円筒軸と同心
に形成されている。第1図(a)の4は磁性流体であ
り、例えばイソパラフィン中にマンガン亜鉛フェライト
等の超微粒子を分散させたもので、永久磁石5と共に前
記円筒空間2に封入されている。A small hole 7 is formed in the sub-housing 3 so as to communicate the cylindrical space 2 with the external space, concentric with the cylindrical axis of the cylindrical space 2. Reference numeral 4 in FIG. 1A is a magnetic fluid, for example, ultrafine particles of manganese zinc ferrite or the like dispersed in isoparaffin, which is enclosed in the cylindrical space 2 together with the permanent magnet 5.
5は周面において径方向に着磁されたディスク状の永
久磁石で、その磁極数は前記円筒空間2の突起対(50a
と51a、50bと51b、50cと51c、そして50dと51d)の数と
等しく、この永久磁石5の厚みは前記空間2の深さから
前記突起対の深さ(底面突起50aの深さと上面突起51aの
深さの和)を引いたものよりわずかに短い。また、永久
磁石5は磁性流体4と共に空間2内に共に封入されてお
り、自身の平面部が底面突起50a,50b,50c、50dと上面突
起51a,51b,51c、51dに対面している。そして、空間2の
内壁と永久磁石5周面との間には磁性流体4が充満した
実質真円のリング状空間が存在し、かつ、前記メインハ
ウジング1の底面と永久磁石5の一方の平面との間、お
よびサブハウジング3と永久磁石5の他方の平面との間
には、磁性流体が充満した薄板状空間が互いに相対向し
て存在する。Reference numeral 5 denotes a disk-shaped permanent magnet that is magnetized in the radial direction on the peripheral surface, and the number of magnetic poles is the same as that of the pair of protrusions (50a
And 51a, 50b and 51b, 50c and 51c, and 50d and 51d), and the thickness of the permanent magnet 5 is from the depth of the space 2 to the depth of the pair of protrusions (the depth of the bottom protrusion 50a and the top protrusion). Slightly less than the sum of the depths of 51a). Further, the permanent magnet 5 is enclosed together with the magnetic fluid 4 in the space 2, and the plane portion of the permanent magnet 5 faces the bottom surface projections 50a, 50b, 50c, 50d and the top surface projections 51a, 51b, 51c, 51d. A substantially circular ring-shaped space filled with the magnetic fluid 4 exists between the inner wall of the space 2 and the peripheral surface of the permanent magnet 5, and the bottom surface of the main housing 1 and one flat surface of the permanent magnet 5 are present. Between the sub housing 3 and the other flat surface of the permanent magnet 5, there are thin plate-shaped spaces filled with the magnetic fluid, which are opposed to each other.
前記空間2のリング状空間(内側壁)は永久磁石5の
平面方向に沿った多数の直線方向運動を許容する広い目
の寸法を設定され、復帰力発生部として機能する。つま
り、永久磁石5の磁極付近では、磁性流体4のみかけ密
度が大きいため、復帰力発生部である内側壁と永久磁石
の各磁極との間に磁気的な粘り又は弾性力(以下、磁気
的弾性力という)が働く。この磁気的弾性力と永久磁石
5が受ける加速度が釣り合う位置まで、永久磁石5は各
磁極の多数軸方向に移動し、静止する。また、前記空間
2の上面部及び底面部の前述の薄板状空間には、永久磁
石5の各磁極(N,S)中間部の法線方向に対向し、前記
復帰力発生部と永久磁石5の磁極との距離よりも、小さ
い距離を隔てて設けられる回転防止部材(前記突起対)
がある。これは、後述する様に、永久磁石5の回転運動
を実質的に阻止する作用を行う。磁性流体4は前記サブ
ハウジング3の小穴7より注入され、ゴム製プラグ8で
シールされたのち、キャンプ9で封印固定されている。
10はOリングで、メインハウジング1とサブハウジング
3の間に設けられている。12a〜12dは磁気検出素子をな
すホール素子で、前記メインハウジング1の各突起対に
対してその中間角度位置で前記円筒空間2の内側壁と所
定間隔を保って対向するように、前記メインハウジング
1の外側に接着されて固定されている。The ring-shaped space (inner wall) of the space 2 has a size of wide eyes that allows a large number of linear movements of the permanent magnet 5 in the plane direction, and functions as a restoring force generating portion. That is, since the apparent density of the magnetic fluid 4 is large near the magnetic poles of the permanent magnet 5, a magnetic stickiness or elastic force (hereinafter, magnetic force) is generated between the inner wall that is the restoring force generating portion and each magnetic pole of the permanent magnet. Elasticity) works. The permanent magnet 5 moves in the multiple axis direction of each magnetic pole and stands still until the magnetic elastic force and the acceleration received by the permanent magnet 5 are balanced. In addition, the thin plate-like spaces on the top surface and the bottom surface of the space 2 face each other in the normal direction of the intermediate portion of each magnetic pole (N, S) of the permanent magnet 5, and the restoring force generating portion and the permanent magnet 5 are opposed to each other. Anti-rotation member (the projection pair) provided at a distance smaller than the distance from the magnetic pole of
There is. This serves to substantially prevent the rotational movement of the permanent magnet 5, as will be described later. The magnetic fluid 4 is injected from the small hole 7 of the sub-housing 3, sealed with a rubber plug 8, and then sealed and fixed with a camp 9.
An O-ring 10 is provided between the main housing 1 and the sub-housing 3. Reference numerals 12a to 12d denote Hall elements that are magnetic detection elements, and are arranged so as to face the inner wall of the cylindrical space 2 with a predetermined space at an intermediate angular position with respect to each pair of protrusions of the main housing 1. It is adhered and fixed to the outside of 1.
14はガラスエポキシ製のプリントプレートであり、非
磁性スクリュー15によりメインハウジング1に固定さ
れ、前記ホール素子12a〜12dの各端子がハンダ付けされ
ている。16は処理回路部であり、プリントプレート14上
に形成されている。Reference numeral 14 is a glass epoxy printed plate, which is fixed to the main housing 1 by a non-magnetic screw 15, and each terminal of the Hall elements 12a to 12d is soldered. Reference numeral 16 denotes a processing circuit unit, which is formed on the print plate 14.
17は鉄製シールドカバーで、図示されていないスクリ
ューによりメインハウジング1に固定されている。18は
シールドプレートで、スクリュー19a〜19cによりシール
ドカバー17に固定されている。シールドカバー17とシー
ルドプレート18とにより本センサの外形が構成されてい
る。Reference numeral 17 denotes an iron shield cover, which is fixed to the main housing 1 by a screw (not shown). A shield plate 18 is fixed to the shield cover 17 with screws 19a to 19c. The shield cover 17 and the shield plate 18 form the outer shape of the present sensor.
20はゴム製グロメットで、前記シールドカバー17の側
面に設けた穴23に固定され、前記処理回路16からのリー
ド線束21が、このグロメット20を介して外側へ導出され
ている。Reference numeral 20 denotes a rubber grommet, which is fixed in a hole 23 provided on the side surface of the shield cover 17, and the lead wire bundle 21 from the processing circuit 16 is led out through the grommet 20.
第5図に回路系のブロック図を示す。 FIG. 5 shows a block diagram of the circuit system.
処理回路16より外部へ取り出される第2図のリード線
束21は、処理回路16の端子37,38,39,40と接続されてい
る。39は電源に、40はアースに接続されている。ホール
素子12a〜12dは各々電源39、アース40に接続されてい
る。The lead wire bundle 21 shown in FIG. 2 taken out of the processing circuit 16 is connected to the terminals 37, 38, 39, 40 of the processing circuit 16. 39 is connected to the power supply and 40 is connected to the ground. The Hall elements 12a to 12d are connected to a power source 39 and a ground 40, respectively.
31〜36は各々差動増幅器である。 31 to 36 are differential amplifiers.
ホール素子12aの検出出力を取出す2つの出力端子は
差動増幅器31の入力端子に接続されている。ホール素子
12cの2つの出力端子は差動増幅器32の入力端子に接続
されている。差動増幅器31,32の出力端子は増幅器35の
入力端子と接続され、増幅器35の出力端子は処理回路16
の出力端子37に接続されている。Two output terminals for extracting the detection output of the hall element 12a are connected to the input terminal of the differential amplifier 31. Hall element
The two output terminals of 12c are connected to the input terminals of the differential amplifier 32. The output terminals of the differential amplifiers 31 and 32 are connected to the input terminal of the amplifier 35, and the output terminal of the amplifier 35 is the processing circuit 16
Connected to the output terminal 37 of the.
同様に、ホール素子12bの2つの出力端子は差動増幅
器33の入力端子に接続され、ホール素子12dの2つの出
力端子は差動増幅器34の入力端子に接続され、差動増幅
器33,34の出力端子は差動増幅器36の入力端子に接続さ
れ、差動増幅器36の出力端子は処理回路16の端子38に接
続されている。Similarly, the two output terminals of the Hall element 12b are connected to the input terminals of the differential amplifier 33, and the two output terminals of the Hall element 12d are connected to the input terminal of the differential amplifier 34, and The output terminal is connected to the input terminal of the differential amplifier 36, and the output terminal of the differential amplifier 36 is connected to the terminal 38 of the processing circuit 16.
100は外部演算回路で、2乗平均回路103と除算回路10
4とから構成される。外部演算回路100は公知で、例えば
バー・ブラウン社のマルチファンクション・コンバータ
(モデル4302)のベクトル関数、除算機能を用いればよ
い。外部演算回路100の入力端子101,102は処理回路16の
出力端子37,38とリード線束21(第2図)を介して接続
される。入力端子101と102は2乗平均回路103と除算回
路104に共に接続されている。2乗平均回路103の出力端
子は、外部演算回路100の出力端子105に、割算回路104
の出力端子は外部演算回路100の出力端子106に接続され
ている。Reference numeral 100 denotes an external arithmetic circuit, which is a mean square circuit 103 and a division circuit 10.
Composed of 4 and. The external operation circuit 100 is known, and for example, the vector function and division function of a multifunctional converter (model 4302) manufactured by Burr Brown Co. may be used. The input terminals 101 and 102 of the external arithmetic circuit 100 are connected to the output terminals 37 and 38 of the processing circuit 16 via the lead wire bundle 21 (FIG. 2). The input terminals 101 and 102 are connected together to a root mean square circuit 103 and a division circuit 104. The output terminal of the root mean square circuit 103 is connected to the output terminal 105 of the external arithmetic circuit 100 and the division circuit 104
The output terminal of is connected to the output terminal 106 of the external arithmetic circuit 100.
次に、上記構成に基づいて、その作動を説明する。 Next, the operation will be described based on the above configuration.
本装置は、磁性流体4中に置かれた永久磁石5が磁性
流体4をひきつけ、磁性流体4のみかけ密度が磁場勾配
に比例することに起因する磁気的弾性力により、永久磁
石5と磁性流体4を収納するハウジング1,3との間に働
く位置調整現象を利用して、加速度に応じた永久磁石5
の変位を実現し、その変位を検出することにより、安定
した二次元加速度検出を行うものである。In this device, the permanent magnet 5 placed in the magnetic fluid 4 attracts the magnetic fluid 4 and the magnetic elastic force resulting from the apparent density of the magnetic fluid 4 being proportional to the magnetic field gradient causes the permanent magnet 5 and the magnetic fluid 4 to move. By utilizing the position adjustment phenomenon that works between the housings 1 and 3 that house 4
By realizing the displacement and detecting the displacement, stable two-dimensional acceleration detection is performed.
径方向に多極着磁された永久磁石5は、磁性流体4中
で浮揚する。これは磁場勾配が大きい所、即ち磁極に近
い程、磁性流体4のみかけ密度が大きくなるためであ
る。この時、ディスク状永久磁石5の平面方向に加速度
aが加わると、第1図(b)のように永久磁石5には慣
性力が働き、メインハウジング1内で移動しようとす
る。永久磁石5の移動に伴いメインハウジング1の円筒
空間2の内周壁近傍における磁性流体4のみかけ密度
は、永久磁石5の磁極に近い位置で大きく、遠い位置で
小さくなり、永久磁石5には磁気的弾性力に起因する復
元力が働く。この復元力と前記慣性力との平衡点で永久
磁石5は静止する。従って、永久磁石5の、円筒空間2
内における位置を検出すれば、加速度aに対応した信号
が得られる。磁石5の位置検出にはホール素子12a〜12d
を用いる。The permanent magnet 5 magnetized in the radial direction with multiple poles levitates in the magnetic fluid 4. This is because the apparent density of the magnetic fluid 4 increases as the magnetic field gradient increases, that is, the closer to the magnetic pole. At this time, when the acceleration a is applied in the plane direction of the disk-shaped permanent magnet 5, an inertial force acts on the permanent magnet 5 as shown in FIG. As the permanent magnet 5 moves, the apparent density of the magnetic fluid 4 in the vicinity of the inner peripheral wall of the cylindrical space 2 of the main housing 1 becomes large at a position close to the magnetic pole of the permanent magnet 5 and becomes small at a position far away from the permanent magnet 5. Force due to dynamic elastic force works. The permanent magnet 5 stands still at the equilibrium point between the restoring force and the inertial force. Therefore, the cylindrical space 2 of the permanent magnet 5
If the position inside is detected, a signal corresponding to the acceleration a can be obtained. Hall elements 12a to 12d are used to detect the position of the magnet 5.
To use.
しかしながら、磁石5が回転するとその影響を受けて
しまい、加速度信号と分離できない。この永久磁石5の
回転を防ぐために、円筒空間2の上底面に突起対50a〜5
0d,51a〜51dが設けてある。これは前記磁気的弾性力を
回転方向でも利用するためである。永久磁石5に対して
磁性流体4に吸着した状態の斜視図を第6図に、また第
6図の縦断面図を第7図に示す。永久磁石5に対して磁
性流体4は各磁極付近を中心とする連結した略球状分布
をする。そこで、円筒空間2の上底面に各磁極間に放射
状の突起対(50aと51a、50bと51b、50cと51cおよび50d
と51d)を設けることによって、磁石5が回転しようと
したとき、磁極付近の磁性流体4の高いみかけ密度部分
と前記突起部の側面部との間に働く磁気的弾性力が、永
久磁石5への復帰トルクとなって働くのである。このた
め、永久磁石5は空間2内で回転運動を阻止され、水平
面内で空間2の内周面方向への直線運動のみ許容され
る。However, when the magnet 5 rotates, it is affected by it and cannot be separated from the acceleration signal. In order to prevent the permanent magnet 5 from rotating, a pair of protrusions 50a to 5a are provided on the upper bottom surface of the cylindrical space 2.
0d and 51a to 51d are provided. This is because the magnetic elastic force is used also in the rotation direction. FIG. 6 shows a perspective view of the permanent magnet 5 attracted to the magnetic fluid 4, and FIG. 7 shows a longitudinal sectional view of FIG. With respect to the permanent magnet 5, the magnetic fluid 4 has a substantially spherical distribution in which the magnetic fluid 4 is connected around each magnetic pole. Therefore, a pair of radial projections (50a and 51a, 50b and 51b, 50c and 51c and 50d between the magnetic poles are formed on the upper bottom surface of the cylindrical space 2.
And 51d), the magnetic elastic force acting between the high apparent density portion of the magnetic fluid 4 near the magnetic pole and the side surface portion of the protrusion when the magnet 5 tries to rotate is applied to the permanent magnet 5. It works as the return torque of the. Therefore, the permanent magnet 5 is prevented from rotating in the space 2 and is allowed to move only linearly in the direction of the inner peripheral surface of the space 2 in the horizontal plane.
又、永久磁石5は空間2内における円柱軸方向に対し
て動きにくくしてある。これは、水平方向の加速度のみ
に感度を持たせるためである。この実現には、永久磁石
5の両底面と空間2の両底面とのなす距離を、永久磁石
5の外周面と空間2の内側面とのなす距離に比して、充
分小さく設定することによりなされる。これは、前述の
如く磁極付近の磁界分布が、永久磁石側面のみならず底
面方向にも空間分布していることを利用している。つま
り、永久磁石5の両底面と空間2の両底面に設けられた
突起対とのなす距離を充分小さくし、突起対の底面積を
適度に設定することによって、磁極付近の磁性流体4の
高いみかけ密度部が永久磁石5とハウジング1,3間の軸
方向ギャップ部に充満し、円柱軸方向加速度に対する永
久磁石5の移動を抑制せしめるのである。Further, the permanent magnet 5 is made hard to move in the axial direction of the cylinder in the space 2. This is to give sensitivity only to the acceleration in the horizontal direction. To achieve this, the distance between the bottom surface of the permanent magnet 5 and the bottom surface of the space 2 is set sufficiently smaller than the distance between the outer peripheral surface of the permanent magnet 5 and the inner surface of the space 2. Done. This utilizes the fact that the magnetic field distribution near the magnetic poles is spatially distributed not only to the side surfaces of the permanent magnet but also to the bottom surface as described above. In other words, the distance between the bottom surface of the permanent magnet 5 and the projection pair provided on both bottom surfaces of the space 2 is made sufficiently small, and the bottom area of the projection pair is set appropriately, so that the magnetic fluid 4 near the magnetic pole is high. The apparent density portion fills the axial gap between the permanent magnet 5 and the housings 1 and 3 to suppress the movement of the permanent magnet 5 with respect to the acceleration in the axial direction of the cylinder.
以上の様に、空間2内に封入された永久磁石5と磁性
流体4という構成において、磁石磁極と同数の突起対を
該空間2の両底面に前記磁極中間に対向させて放射状に
設け、かつ、永久磁石5の軸方向の円筒空間長さを永久
磁石5の長さよりわずかに長い程度に設定することによ
り、下記の3つの作用が得られる。As described above, in the configuration of the permanent magnet 5 and the magnetic fluid 4 sealed in the space 2, the same number of protrusion pairs as the magnet magnetic poles are radially provided on both bottom surfaces of the space 2 so as to face the middle of the magnetic poles, and By setting the axial cylindrical length of the permanent magnet 5 to be slightly longer than the length of the permanent magnet 5, the following three effects can be obtained.
(1)永久磁石5は空間2内で磁性流体4中に安定浮揚
する。(1) The permanent magnet 5 floats stably in the magnetic fluid 4 in the space 2.
(2)永久磁石5は、磁気的弾性力による大きな復帰ト
ルクを受ける。(2) The permanent magnet 5 receives a large return torque due to the magnetic elastic force.
(3)永久磁石5は水平面内で移動可能で、軸方向へは
並進運動しない。(3) The permanent magnet 5 is movable in the horizontal plane and does not translate in the axial direction.
従って、水平面内加速度に対して永久磁石の位置、さ
らに言えば各磁極の位置は一義的に定まる。そこで、ホ
ール素子の様な磁界検出素子を用いて磁極位置を検出す
れば加わっている加速度がわかる。Therefore, the position of the permanent magnet, that is, the position of each magnetic pole is uniquely determined with respect to the acceleration in the horizontal plane. Therefore, the applied acceleration can be known by detecting the magnetic pole position using a magnetic field detecting element such as a Hall element.
具体的な例を第1図及び第5図を用いて説明する。第
1図(b)において、x軸をホール素子12a−12c方向
に、y軸をホール素子12b−12d方向にとる。x軸方向の
永久磁石5の磁極は共にS極、y軸方向はN極となる4
極磁石の場合が図示してある。本装置に、第1図(b)
の如く加速度Aが加わるとメインハウジング1に対して
永久磁石5には相対的に加速度aが加わる。加速度aは
加速度Aと大きさが同じで反対方向に向かうベクトルで
ある。永久磁石5の重量をmとすると、永久磁石5に働
く慣性力F1はF1=k1・m・aと表すことができる。な
お、F1とaはベクトル値である。ここで、k1は種々その
条件によって決まる定数である。A specific example will be described with reference to FIGS. 1 and 5. In FIG. 1 (b), the x-axis is the Hall element 12a-12c direction and the y-axis is the Hall element 12b-12d direction. The magnetic poles of the permanent magnet 5 in the x-axis direction are both S poles, and the Y-axis direction is an N pole 4
The case of a polar magnet is shown. This device is shown in Fig. 1 (b).
When the acceleration A is applied as described above, the acceleration a is applied to the permanent magnet 5 relative to the main housing 1. The acceleration a is a vector having the same magnitude as the acceleration A and traveling in the opposite direction. When the weight of the permanent magnet 5 is m, the inertial force F 1 acting on the permanent magnet 5 can be expressed as F 1 = k 1 · m · a. Note that F 1 and a are vector values. Here, k 1 is a constant determined by various conditions.
又、磁気的弾性力F2(ベクトル値)は慣性力F1と逆向
きで同じ大きさとなる。Further, the magnetic elastic force F 2 (vector value) has the same magnitude as the inertial force F 1 in the opposite direction.
ここで、円筒空間2の水平断面において、その中心を
原点にとり、磁気的弾性力F2と慣性力F1とが平衡してい
る時の永久磁石5の中心位置をP(x,y)とすると、永
久磁石5の移動量が小さい場合、 という関係が成立する。ここで、k2は定数である。従っ
て、|F1|=|F2|とおくことで、 となる。Here, in the horizontal cross section of the cylindrical space 2, with its center as the origin, the central position of the permanent magnet 5 when the magnetic elastic force F 2 and the inertial force F 1 are balanced is P (x, y) Then, when the movement amount of the permanent magnet 5 is small, The relationship is established. Here, k 2 is a constant. Therefore, by setting | F 1 | = | F 2 | Becomes
とおけば、(x,y)=(k・|a|・cosθ,k・|a|・sin
θ)となり、永久磁石の位置(x,y)を知れば加わって
いる加速度が判る。 In other words, (x, y) = (k ・ | a | ・ cos θ, k ・ | a | ・ sin
θ), and knowing the position (x, y) of the permanent magnet, the applied acceleration can be known.
そこで、第1図(a)に示す様にホール素子12a〜12d
を磁極に対向させて配置する。ホール素子12a,12cは磁
石5のS極と対向し、各々、N極が近づく時に正の出力
が大きくなるように配置されている。又、ホール素子12
b,12dは磁石5のN極と対向し、各々、N極が近づく時
に正の出力が大きくなるように配置されている。従っ
て、例えば第1図(a),(b)で永久磁石5がx方向
へ水平に動くとホール素子12aと磁極Nが近づき、ホー
ル素子12aの出力は大となる。同時に、ホール素子12cの
出力は小となる。ホール素子出力電圧は、ホール素子・
磁極間距離の2乗に略反比例した出力となる。Therefore, as shown in FIG. 1 (a), Hall elements 12a-12d
Are arranged so as to face the magnetic poles. The Hall elements 12a and 12c face the south pole of the magnet 5 and are arranged so that the positive output increases when the north pole approaches. Hall element 12
b and 12d face the north pole of the magnet 5 and are arranged so that the positive output becomes large when the north pole approaches. Therefore, for example, when the permanent magnet 5 moves horizontally in the x direction in FIGS. 1A and 1B, the Hall element 12a and the magnetic pole N approach each other, and the output of the Hall element 12a becomes large. At the same time, the output of the Hall element 12c becomes small. Hall element output voltage is
The output is approximately inversely proportional to the square of the distance between the magnetic poles.
よって、ホール素子12aと12cとの差動出力をとれば、
永久磁石の移動量が小さい場合には、磁石位置のx方向
成分に略比例した出力電圧を得ることができる。又、同
様にしてホール素子12b,12dの差動出力をとれば、磁石
位置のy方向成分に略比例した出力電圧を得ることがで
きる。この様にして得られたホール素子12a,12cの差動
出力電圧Vxとホール素子12b,12dの差動出力Vyとは、各
々永久磁石5の中心位置(x,y)に対応した値となる。
又、差動出力をとることにより、高ゲインと良好な直線
性および温度補償が行える。Therefore, if the differential output between the Hall elements 12a and 12c is taken,
When the amount of movement of the permanent magnet is small, an output voltage approximately proportional to the x-direction component of the magnet position can be obtained. Similarly, if the differential outputs of the Hall elements 12b and 12d are obtained, it is possible to obtain an output voltage substantially proportional to the y-direction component of the magnet position. The differential output voltage Vx of the Hall elements 12a, 12c and the differential output Vy of the Hall elements 12b, 12d obtained in this way are values corresponding to the central position (x, y) of the permanent magnet 5, respectively. .
Further, by taking a differential output, high gain, good linearity and temperature compensation can be performed.
そこで、第5図の様に外部処理回路100により、上記
差動電圧Vx,Vyをもとに、 とVy/Vxとを演算すれば、前者が加速度aの大きさ|a|
を、後者が加速度aの方向tanθを表すことになる。Therefore, as shown in FIG. 5, by the external processing circuit 100, based on the differential voltages Vx and Vy, And Vy / Vx, the former is the magnitude of acceleration a | a |
The latter represents the direction tan θ of the acceleration a.
なお、第5図の処理回路16について簡単に触れてお
く。ホール素子12a〜12dは、端子39を介して安定化電源
に結合されている。ホール素子12aの出力は差動増幅器3
1を介して得られ、同様に、ホール素子12b〜12dの出力
は差動増幅器32〜34を介して得られる。そして、差動増
幅器31と32の出力の差動出力が差動増幅器35を介して得
られ、端子37に接続される。又、差動増幅器33,34の出
力の差動出力が差度増幅器36を介して得られ、端子38に
接続される。従って、端子37より前記出力電圧Vxが端子
38より前記出力電圧Vyが得られるという構成になってい
る。The processing circuit 16 of FIG. 5 will be briefly described. The Hall elements 12a-12d are coupled to the regulated power supply via terminal 39. The output of the Hall element 12a is the differential amplifier 3
1 and similarly the outputs of the Hall elements 12b-12d are obtained via the differential amplifiers 32-34. Then, a differential output of the outputs of the differential amplifiers 31 and 32 is obtained via the differential amplifier 35 and connected to the terminal 37. Further, the differential output of the outputs of the differential amplifiers 33 and 34 is obtained through the difference amplifier 36 and connected to the terminal 38. Therefore, the output voltage Vx from the terminal 37
The output voltage Vy is obtained from 38.
空間2内に封入される磁性流体4の量、即ち、空間2
の容積より永久磁石5の容積をさし引いた残容積は、自
由状態で永久磁石5が保持しうる磁性流体の総量と等し
くなることが好ましい。ここで、自由状態で永久磁石5
が保持しうる磁性流体総量とは、常温常圧下で磁性流体
4中に永久磁石5を挿入し、引き上げた時に永久磁石5
に付着している磁性流体の総量をいう。この状態は第6
図に示してある。この量よりも大きくなるように残容積
を決定すれば、加速度に対する永久磁石移動量に不感帯
を生ずる。一方、小さく設定すれば加速度に対する移動
量が減り、感度が低下する。The amount of magnetic fluid 4 enclosed in the space 2, that is, the space 2
The remaining volume obtained by subtracting the volume of the permanent magnet 5 from the volume of 1 is preferably equal to the total amount of magnetic fluid that the permanent magnet 5 can hold in the free state. Here, in the free state, the permanent magnet 5
The total amount of magnetic fluid that can be held by the permanent magnet 5 when the permanent magnet 5 is inserted into the magnetic fluid 4 at normal temperature and pressure and pulled up.
It means the total amount of magnetic fluid attached to the. This state is the sixth
It is shown in the figure. If the remaining volume is determined so as to be larger than this amount, a dead zone occurs in the amount of movement of the permanent magnet with respect to acceleration. On the other hand, if it is set small, the amount of movement with respect to acceleration is reduced, and the sensitivity is reduced.
第8図に、印加加速度aの大きさ|a|に対するホール
素子12a,12cの差動出力Vx〔V〕を、第9図に同じくホ
ール素子12b,12の差動出力Vyを示す。パラメータのθは
第1図(b)に示す加速度の角度である。Vxは加速度a
に対して|a|・cosθ,Vyは|a|・sinθとほぼ等しい値を
示している。FIG. 8 shows the differential output Vx [V] of the Hall elements 12a, 12c with respect to the magnitude | a | of the applied acceleration a, and FIG. 9 shows the differential output Vy of the Hall elements 12b, 12 similarly. The parameter θ is the angle of acceleration shown in FIG. Vx is acceleration a
On the other hand, | a | ・ cos θ, Vy shows almost the same value as | a | ・ sin θ.
上述の実施例において、永久磁石5の磁極数及び円筒
空間の突起数は4個(対向する2組)として示したが、
前者は2組、後者は1組以上であれば何組でもかまわな
い。In the above embodiment, the number of magnetic poles of the permanent magnet 5 and the number of protrusions of the cylindrical space are shown as 4 (two sets facing each other).
The former may be two pairs, and the latter may be any pair as long as it is one or more.
又、磁気検出素子としてホール素子を例にあげたが、
磁気抵抗素子やピックアップコイルのような他の部品で
もよい。Also, the Hall element has been taken as an example of the magnetic detection element,
Other components such as a magnetoresistive element or a pickup coil may be used.
次に、本発明の第2実施例を図面に基づいて説明す
る。この第2実施例は永久磁石を回動させて角加速度を
検出するものである。第10図(a)は第2実施例の横断
面図で、第11図のS10−S10線に沿う断面図、第11図は第
2実施例の縦断面図である。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this second embodiment, the permanent magnet is rotated to detect the angular acceleration. FIG. 10 (a) is a transverse sectional view of the second embodiment, and is a sectional view taken along the line S10-S10 in FIG. 11, and FIG. 11 is a longitudinal sectional view of the second embodiment.
1はメインハウジングであり、空間2を内側に形成し
ている。3はサブハウジングであり、前記空間2の開放
端面を閉鎖すべく前記メインハウジング1にスクリュー
11a,11b及び図示されていないスクリュー11c,11dにより
固定されている。スクリュー11a,11b,11c,11dは非磁性
体でできている。Reference numeral 1 denotes a main housing, which forms a space 2 inside. 3 is a sub-housing, which is screwed into the main housing 1 to close the open end surface of the space 2.
It is fixed by 11a, 11b and screws 11c, 11d (not shown). The screws 11a, 11b, 11c, 11d are made of non-magnetic material.
第12図にメインハウジング1の斜視断面図を、第13図
にサブハウジング3の斜視図を示す。50a〜50dは底面突
起であり、51a〜51dは上面突起である。前記底面突起50
a〜50dは、前記上面突起51a〜51dとそれぞれ対応して対
向しており、前記円筒空間2内に4組の突起対を形成し
ている。FIG. 12 shows a perspective sectional view of the main housing 1, and FIG. 13 shows a perspective view of the sub housing 3. Reference numerals 50a to 50d are bottom projections, and 51a to 51d are top projections. The bottom protrusion 50
The a to 50d face the upper surface protrusions 51a to 51d, respectively, and form four pairs of protrusions in the cylindrical space 2.
ディスク状の永久磁石5の磁極数は前記空間2の突起
対(50aと51a,50bと51b)の数と等しく、その厚みは前
記空間2の深さから前記突起対の深さ(底面突起50aの
深さと上面突起51aの深さの和)を引いたものよりわず
かに短い。又、前記永久磁石5の直径は前記空間2の内
径よりわずかに短く、その差は前記深さ方向の差と同程
度である。The number of magnetic poles of the disk-shaped permanent magnet 5 is equal to the number of pairs of protrusions (50a and 51a, 50b and 51b) in the space 2, and the thickness thereof is from the depth of the space 2 to the depth of the pair of protrusions (bottom protrusion 50a). And the sum of the depth of the upper surface projection 51a)). Further, the diameter of the permanent magnet 5 is slightly shorter than the inner diameter of the space 2, and the difference is about the same as the difference in the depth direction.
前記空間2の内側壁のリング状空間は並進運動防止部
として機能するように狭く寸法設定されている。つま
り、永久磁石5の磁極付近では、磁性流体4のみかけ密
度が大きいため、並進運動防止部である内側壁と永久磁
石の各磁極との間に強い磁気粘弾性力が働き、永久磁石
5の並進運動を抑制するようにしている。また、前記空
間2の上面部及び底面部の薄板状空間は、広い目の寸法
で構成されており、ここには永久磁石5の各磁極(N,
S)中間部分の法線方向に対向し、前記並進運動防止部
と永久磁石の磁極との距離とほぼ等しい距離を隔てて設
けられる復帰トルク発生部(前記突起対)がある。これ
は後述する様に、永久磁石5の回転運動に対して復帰ト
ルクを発生する作用を行う。磁性流体4は前記サブハウ
ジング3の小穴7より注入され、ゴム製プラグ8でシー
ルされたのち、キャップ9で封印固定されている。10は
Oリングで、メインハウジング1とサブハウジング3の
間に設けられている。12a,12bは磁気検出素子をなすホ
ール素子で、前記メインハウジング1の各突起対の中間
角度位置で前記空間2の内側壁と一定間隔を保って対向
するように、前記メインハウジング1の外側に接着固定
されている。The ring-shaped space on the inner wall of the space 2 is narrowly dimensioned so as to function as a translational motion preventing portion. That is, since the apparent density of the magnetic fluid 4 is large near the magnetic poles of the permanent magnet 5, a strong magnetic viscoelastic force acts between the inner wall, which is the translational motion preventing portion, and each magnetic pole of the permanent magnet 5, and the permanent magnet 5 has a strong magnetic viscoelastic force. The translational movement is suppressed. In addition, the thin plate-shaped spaces on the top surface and the bottom surface of the space 2 are formed to have a size of wide eyes, and each magnetic pole (N, N,
S) There is a return torque generating portion (the pair of protrusions) facing each other in the normal direction of the intermediate portion and provided with a distance substantially equal to the distance between the translational movement preventing portion and the magnetic pole of the permanent magnet. As will be described later, this acts to generate a return torque with respect to the rotational movement of the permanent magnet 5. The magnetic fluid 4 is injected through the small hole 7 of the sub-housing 3, sealed with a rubber plug 8 and then sealed and fixed with a cap 9. An O-ring 10 is provided between the main housing 1 and the sub-housing 3. Reference numerals 12a and 12b denote Hall elements which are magnetic detection elements, and are arranged outside the main housing 1 so as to face the inner wall of the space 2 at a middle angle position between the pair of protrusions of the main housing 1 with a constant space. Adhesive fixed.
第14図に回路系のブロック図を示す。 FIG. 14 shows a block diagram of the circuit system.
処理回路16より外部へ取り出されるリード線束21は、
処理回路16の端子234,235と接続されている。235は電源
に、236はアースに接続されている。ホール素子12a,12b
は各々電源端子235、アースに接続されている。The lead wire bundle 21 taken out from the processing circuit 16 is
It is connected to the terminals 234 and 235 of the processing circuit 16. 235 is connected to the power source and 236 is connected to the ground. Hall element 12a, 12b
Are connected to the power supply terminal 235 and the ground, respectively.
31〜33は各々差動増幅器である。 Reference numerals 31 to 33 are differential amplifiers.
ホール素子12aの2つの出力端子は差動増幅器31の入
力端子に接続されている。ホール素子12bの2つの出力
端子は差動増幅器32の入力端子に接続されている。差動
増幅器31,32の出力端子は増幅器33の入力端子と接続さ
れ、増幅器33の出力端子は処理回路16の端子234に接続
されている。なお、その他の構成は第1実施例と同様で
ある。The two output terminals of the Hall element 12a are connected to the input terminals of the differential amplifier 31. The two output terminals of the Hall element 12b are connected to the input terminals of the differential amplifier 32. The output terminals of the differential amplifiers 31, 32 are connected to the input terminal of the amplifier 33, and the output terminal of the amplifier 33 is connected to the terminal 234 of the processing circuit 16. The rest of the configuration is the same as in the first embodiment.
次に、上記構成に基づいて、その作動を説明する。 Next, the operation will be described based on the above configuration.
ディスク状の永久磁石5に角加速度aが加わると、永
久磁石5には慣性トルクが働き、メインハウジング1内
で回転しようとする。永久磁石5の回転に伴いメインハ
ウジング1の円筒空間2の両底面に形成された復帰トル
ク発生部である突起部50a〜50d,51a〜51d近傍における
磁性流体4のみかけ密度は、永久磁石5の磁極に近い位
置で大きく、遠い位置で小さくなり、永久磁石5には磁
気弾性的復元トルクが働く。この復元トルクと前記慣性
トルクとの平衡角度位置で永久磁石5は静止する。When the angular acceleration a is applied to the disk-shaped permanent magnet 5, an inertia torque acts on the permanent magnet 5 to try to rotate in the main housing 1. The apparent density of the magnetic fluid 4 in the vicinity of the protrusions 50a to 50d, 51a to 51d, which are return torque generating portions formed on both bottom surfaces of the cylindrical space 2 of the main housing 1 as the permanent magnet 5 rotates, It becomes large at a position close to the magnetic pole and becomes small at a position far from it, and a magnetoelastic restoring torque acts on the permanent magnet 5. The permanent magnet 5 stands still at the equilibrium angular position between the restoring torque and the inertia torque.
従って、永久磁石5の空間2内における角度位置を検
出すれば、角加速度aに対応した信号が得られる。磁石
5の位置検出にはホール素子12a,12bを用いる。Therefore, if the angular position of the permanent magnet 5 in the space 2 is detected, a signal corresponding to the angular acceleration a can be obtained. Hall elements 12a and 12b are used to detect the position of the magnet 5.
しかしながら、永久磁石5が自身の平面と平行に移動
(並進移動)するとその影響を受けてしまい、角加速度
信号と分離できない。この永久磁石5の並進運動を防ぐ
ために、空間2の内側面と永久磁石5の外周面との間隔
を小さくしている。However, if the permanent magnet 5 moves (translates) in parallel with its own plane, it will be affected by it and cannot be separated from the angular acceleration signal. In order to prevent the translational movement of the permanent magnet 5, the space between the inner surface of the space 2 and the outer peripheral surface of the permanent magnet 5 is made small.
また、空間2の上底面の各磁極間に放射状の突起対を
設けることによって永久磁石5が回転しようとしたと
き、磁極付近の磁性流体4の高いみかけ密度部分と突起
部の側面部との間に働く磁気粘弾性力が永久磁石5への
復帰トルクとなって働き、復帰トルク発生手段として機
能する。ここで、この機能を並進方向にも持たせるため
に並進運動防止部として空間2の内側壁を、永久磁石5
付近の磁性流体4の高密度部に配置している。このた
め、永久磁石5は空間2内で並進運動を阻止され、空間
2内の同一空間内における回転運動のみ許容される。In addition, when the permanent magnet 5 is about to rotate by providing a pair of radial projections between the magnetic poles on the upper bottom surface of the space 2, between the high apparent density portion of the magnetic fluid 4 near the magnetic poles and the side surface portion of the projection. The magnetic viscoelastic force that acts as a return torque to the permanent magnet 5 works to function as a return torque generating means. Here, in order to have this function also in the translational direction, the inner wall of the space 2 is used as the translational movement preventing portion,
It is arranged in the high density portion of the magnetic fluid 4 in the vicinity. Therefore, the permanent magnet 5 is prevented from translational movement within the space 2, and only rotational movement within the same space within the space 2 is permitted.
又、永久磁石5は空間2内における円柱軸方向に対し
ても同様に動きにくくしてある。これは、水平方向の並
進運動のみならず垂直方向の並進運動も抑制するためで
ある。この実現には、永久磁石5の両底面と空間2の両
底面とのなす距離を、永久磁石5の外周面と空間2の内
側面とのなす距離とほぼ等しく、かつ充分小さく設定す
ることによりなされる。これは、前述の如く磁極付近の
磁界分布が磁石側面のみならず、底面方向にも空間分布
していることを利用している。つまり、永久磁石5の両
底面と円筒空間2の両底面に設けられた突起対とのなす
距離を充分小さくし、突起対の底面積を適度に設定する
ことによって、磁極付近の磁性流体4の高いみかけ密度
部が磁石とハウジング間の軸方向ギャップ部に充満し、
軸方向加速度に対する永久磁石5の移動を抑制せしめる
のである。Further, the permanent magnet 5 is similarly made hard to move in the axial direction of the cylinder in the space 2. This is for suppressing not only the horizontal translational movement but also the vertical translational movement. To achieve this, the distance between the bottom surfaces of the permanent magnet 5 and the bottom surfaces of the space 2 is set to be substantially equal to the distance between the outer peripheral surface of the permanent magnet 5 and the inner side surface of the space 2, and sufficiently small. Done. This utilizes the fact that the magnetic field distribution near the magnetic pole is spatially distributed not only on the side surface of the magnet but also in the bottom surface direction as described above. That is, the distance between the bottom surface of the permanent magnet 5 and the pair of protrusions provided on the bottom surface of the cylindrical space 2 is made sufficiently small, and the bottom area of the pair of protrusions is set appropriately, whereby the magnetic fluid 4 near the magnetic poles is The high apparent density area fills the axial gap between the magnet and the housing,
The movement of the permanent magnet 5 with respect to the axial acceleration is suppressed.
以上の様に、空間2内に封入された永久磁石5と磁性
流体4という構成において、磁石磁極と同数の突起対を
空間2の両底面に前記磁極中間に対向させて放射状に設
け、かつ、永久磁石5の直径を空間2の内径よりもわず
かに小さく、同時に永久磁石5の軸方向の空間2の長さ
を永久磁石5の長さよりわずかに長い程度に設定するこ
とにより、下記の3つの効果が得られる。As described above, in the configuration including the permanent magnet 5 and the magnetic fluid 4 enclosed in the space 2, the same number of pairs of protrusions as the magnet magnetic poles are radially provided on both bottom surfaces of the space 2 so as to face the middle of the magnetic poles, and By setting the diameter of the permanent magnet 5 to be slightly smaller than the inner diameter of the space 2 and simultaneously setting the length of the space 2 in the axial direction of the permanent magnet 5 to be slightly longer than the length of the permanent magnet 5, the following three The effect is obtained.
(1)永久磁石5は空間2内で磁性流体4中に安定浮揚
する。(1) The permanent magnet 5 floats stably in the magnetic fluid 4 in the space 2.
(2)永久磁石5は、磁気粘弾性による復帰トルクを受
ける。(2) The permanent magnet 5 receives a return torque due to magnetic viscoelasticity.
(3)永久磁石5は並進運動しない。(3) The permanent magnet 5 does not translate.
従って、角加速度に対して永久磁石5の角度位置、さ
らに言えば各磁極の位置は一義的に定まる。そこで、ホ
ール素子の様な磁気検出素子を用いて磁極位置を検出す
れば加わっている角加速度がわかる。Therefore, the angular position of the permanent magnet 5 with respect to the angular acceleration, that is, the position of each magnetic pole is uniquely determined. Therefore, the applied angular acceleration can be found by detecting the magnetic pole position using a magnetic detection element such as a Hall element.
具体的な例を第10図(b)及び第14図を用いて説明す
る。第10図(b)において、x軸をホール素子12a−12b
方向に、y軸をx軸と直交する方向にとる。4極永久磁
石の場合が図示してあり、永久磁石5のS極−S極軸は
X軸と45度をなし、N極−N極軸はY軸と45度をなす位
置で安定している。本装置に第10図(b)の如く如く角
加速度Aが加わるとメインハウジング1に対して永久磁
石5には相対的に角加速度aが加わる。角加速度aは角
加速度Aと大きさが同じで反対方向に向かうベクトルで
ある。磁石5の重量をmとすると、磁石5に働く慣性ト
ルクT1はT1=k1・m・aと表すことができる。ここで、
k1は種々その条件によって決まる定数である。A specific example will be described with reference to FIG. 10 (b) and FIG. In FIG. 10 (b), the x-axis is the Hall elements 12a-12b.
Direction, the y axis is taken in the direction orthogonal to the x axis. The case of a 4-pole permanent magnet is shown, and the S pole-S pole axis of the permanent magnet 5 forms a 45 degree angle with the X axis, and the N pole-N pole axis stabilizes at a position that forms a 45 degree angle with the Y axis. There is. When the angular acceleration A is applied to the apparatus as shown in FIG. 10 (b), the angular acceleration a is applied to the permanent magnet 5 relative to the main housing 1. The angular acceleration a is a vector having the same magnitude as the angular acceleration A and heading in the opposite direction. If the weight of the magnet 5 is m, the inertia torque T 1 acting on the magnet 5 can be expressed as T 1 = k 1 · m · a. here,
k 1 is a constant determined by various conditions.
又、磁気弾性トルクT2は慣性トルクT1と逆向きで同じ
大きさとなる。Further, the magnetoelastic torque T 2 has the same magnitude as the inertia torque T 1 in the opposite direction.
ここで、空間2の水平断面において、その中心を回転
中心とし、永久磁石5のS極とS極とを結ぶ線がホール
素子12aと12bを結ぶ線と一致する角度位置を回転の原点
にとり、磁気弾性トルクT2と慣性トルクT1が平衡してい
る時の永久磁石5の任意の磁極位置をP(R,θ)とする
と、|T2|=k2・sin(4θ)という関係が成立する。
ここで、k2は定数である。Here, in the horizontal cross section of the space 2, the center of rotation is taken as the center of rotation, and the angular position at which the line connecting the S poles of the permanent magnets 5 coincides with the line connecting the Hall elements 12a and 12b is taken as the origin of rotation. Letting P (R, θ) be the magnetic pole position of the permanent magnet 5 when the magnetoelastic torque T 2 and the inertia torque T 1 are in equilibrium, the relationship | T 2 | = k 2 · sin (4θ) To establish.
Here, k 2 is a constant.
従って、|T1|=|T2|とおくことで、θが小さい領
域においては次式のように近似できる。Therefore, by setting | T 1 | = | T 2 |, in the region where θ is small, approximation can be performed as in the following equation.
ここで、 とおけば、(R,θ)=(R,|a|/k)となり、磁極位置
(R,θ)を知れば加わっている角加速度が判る。 here, In other words, (R, θ) = (R, | a | / k), and the applied angular acceleration can be known by knowing the magnetic pole position (R, θ).
そこで、第10図(a)に示す様にホール素子12a,12b
を磁極中間位置に対向させて配置する。ホール素子12a,
12bは永久磁石5のN極が近づく時に正の出力が大きく
なるように配置されている。従って、例えば第10図
(a),(b)で永久磁石5がθ方向へ回転すると、ホ
ール素子12aと磁極Nが近づき、ホール素子12aの出力は
大となる。同時に、ホール素子12bの出力も大となる。
ホール素子出力電圧は、ホール素子・磁極間距離の2乗
に略比例した出力となる。Therefore, as shown in FIG. 10 (a), Hall elements 12a, 12b
Are arranged so as to face the magnetic pole intermediate position. Hall element 12a,
12b is arranged so that the positive output increases when the N pole of the permanent magnet 5 approaches. Therefore, for example, when the permanent magnet 5 rotates in the θ direction in FIGS. 10A and 10B, the Hall element 12a and the magnetic pole N approach each other, and the output of the Hall element 12a becomes large. At the same time, the output of the Hall element 12b also becomes large.
The Hall element output voltage is an output that is substantially proportional to the square of the distance between the Hall element and the magnetic pole.
よって、ホール素子12aと12bとの和出力をとれば、磁
石回転量が小さい場合には、磁極位置に略比例した出力
電圧を得ることができる。又、和出力をとることによ
り、高ゲインを得ることができる。又、仮に永久磁石5
が並進運動をしたとしても、ホール素子12aの出力が増
し、ホール素子12bの出力が減るため、その和の変化は
少ない。従って、処理回路16の出力端子34から角加速度
に応じた出力電圧を得ることができる。Therefore, if the sum output of the Hall elements 12a and 12b is taken, an output voltage substantially proportional to the magnetic pole position can be obtained when the magnet rotation amount is small. Also, by taking the sum output, a high gain can be obtained. In addition, if the permanent magnet 5
Even if the robot makes a translational movement, the output of the hall element 12a increases and the output of the hall element 12b decreases, so that the change in the sum is small. Therefore, the output voltage according to the angular acceleration can be obtained from the output terminal 34 of the processing circuit 16.
なお、第14図の処理回路16について簡単に触れてお
く。ホール素子12a,12bは、端子235を介して安定化電源
に結合されている。ホール素子12aの出力は、差動増幅
器31を介して得られ、同様にホール素子12bの出力は差
動増幅器32を介して得られる。そして、差動増幅器31と
32の出力の和出力が演算増幅器33を介して得られ、端子
234に接続される。It should be noted that the processing circuit 16 of FIG. 14 will be briefly described. The Hall elements 12a, 12b are coupled to the regulated power supply via the terminal 235. The output of the Hall element 12a is obtained via the differential amplifier 31, and similarly, the output of the Hall element 12b is obtained via the differential amplifier 32. And with the differential amplifier 31
The sum output of the outputs of 32 is obtained via the operational amplifier 33,
Connected to 234.
空間2内に封入された磁性流体4の量、即ち、空間2
の容積より永久磁石5の容積をさし引いた容積は、自由
状態で永久磁石5が保持しうる磁性流体4の総量と等し
くなることが好ましい。ここで、自由状態で永久磁石5
が保持しうる磁性流体4の総量とは、常温常圧下で磁性
流体4中に永久磁石5を挿入し、引き上げた時に永久磁
石5に付着している磁性流体4の総量をいう。この状態
は第6図と同じである。この量よりも大きくなるように
容積決定すれば、加速度に対する永久磁石5の並進移動
を生ずる。小さく設定すれば角加速度に対する回転量が
減り、感度が低下するからである。The amount of the magnetic fluid 4 enclosed in the space 2, that is, the space 2
The volume obtained by subtracting the volume of the permanent magnet 5 from the volume of is preferably equal to the total amount of the magnetic fluid 4 that the permanent magnet 5 can hold in the free state. Here, in the free state, the permanent magnet 5
The total amount of the magnetic fluid 4 that can be held by means the total amount of the magnetic fluid 4 attached to the permanent magnet 5 when the permanent magnet 5 is inserted into the magnetic fluid 4 at normal temperature and pressure and pulled up. This state is the same as in FIG. If the volume is determined to be larger than this amount, the translational movement of the permanent magnet 5 with respect to the acceleration occurs. This is because if it is set small, the amount of rotation with respect to the angular acceleration is reduced and the sensitivity is reduced.
第15図に、印加角加速度の大きさに対する端子234の
出力Voを示す。パラメータのθはS極−S極軸とX軸と
のなす角度である。FIG. 15 shows the output Vo of the terminal 234 with respect to the magnitude of the applied angular acceleration. The parameter θ is an angle formed by the S-pole-S-pole axis and the X-axis.
上述の第2実施例において、永久磁石5の磁極数及び
空間2の突起対は対向する2組として示したが、前者が
2組、後者は1組以上であれば、何組でもかまわない。In the above-described second embodiment, the number of magnetic poles of the permanent magnet 5 and the pair of protrusions in the space 2 are shown as two sets facing each other, but any number of sets may be used as long as the former is two and the latter is one or more.
又、磁気検出素子としてホール素子を2個用いて磁極
中間に配置したが、ホール素子は1個以上幾つでもよ
く、又、その位置も任意に設定できることは言うまでも
ない。Further, although two Hall elements are used as magnetic detection elements and are arranged in the middle of the magnetic pole, it is needless to say that the number of Hall elements may be one or more, and the position thereof can be arbitrarily set.
また、永久磁石として円盤状の磁石を示したが、第16
図のようなリング状の永久磁石でもよい。この場合、磁
気検出素子12をリング内部に配置することができる。Although a disk-shaped magnet is shown as the permanent magnet,
A ring-shaped permanent magnet as shown may be used. In this case, the magnetic detection element 12 can be arranged inside the ring.
第1図(a)は本発明の第1実施例を示す第2図のI−
I線に沿う横断面図、第1図(b)は加速度が作用する
向きを説明するベクトル図、第2図は第1実施例の縦断
面図、第3図は上記第1実施例で使用したメインハウジ
ングの斜視断面図、第4図は上記第1実施例で使用した
サブハウジングの斜視図、第5図は上記第1実施例の電
気回路を示す回路図、第6図は上記第1実施例で使用し
た永久磁石への磁性流体の付着状態を示す斜視図、第7
図は第6図の縦断面図、第8図及び第9図は上記第1実
施例の加速度センサの出力電圧の特性を夫々示す特性図
である。第10図(a)は本発明の第2実施例を示す第11
図のS10−S10線に沿う横断面図、第10図(b)は角加速
度が作用する向きを説明するベクトル図、第11図は第2
実施例の縦断面図、第12図は第2実施例のメインハウジ
ングの斜視断面図、第13図は第2実施例のサブハウジン
グの斜視図、第14図は第2実施例の電気回路を示す回路
図、第15図は角加速度センサの出力特性を示す特性図、
第16図は第2実施例の変形例としてのリング状の永久磁
石と磁気検出素子との位置関係を示す一部構成図であ
る。 1…メインハウジング,2…空間,3…サブハウジング、4
…磁性流体、5…永久磁石,12a〜12d…磁気検出素子,50
a〜50d,51a〜51d…突起対。FIG. 1 (a) shows I- of FIG. 2 showing the first embodiment of the present invention.
A transverse sectional view taken along the line I, FIG. 1 (b) is a vector diagram for explaining the direction in which acceleration acts, FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the first embodiment, and FIG. 3 is used in the first embodiment. FIG. 4 is a perspective sectional view of the main housing, FIG. 4 is a perspective view of the sub-housing used in the first embodiment, FIG. 5 is a circuit diagram showing an electric circuit of the first embodiment, and FIG. FIG. 7 is a perspective view showing a state in which magnetic fluid is attached to the permanent magnets used in Examples.
FIG. 8 is a vertical sectional view of FIG. 6, and FIGS. 8 and 9 are characteristic diagrams showing the characteristics of the output voltage of the acceleration sensor of the first embodiment. FIG. 10 (a) shows an eleventh embodiment of the present invention.
A transverse sectional view taken along the line S10-S10 in the figure, FIG. 10 (b) is a vector diagram for explaining the direction in which the angular acceleration acts, and FIG.
FIG. 12 is a perspective sectional view of a main housing of the second embodiment, FIG. 13 is a perspective view of a sub-housing of the second embodiment, and FIG. 14 is an electric circuit of the second embodiment. The circuit diagram shown in FIG. 15 is a characteristic diagram showing the output characteristic of the angular acceleration sensor,
FIG. 16 is a partial configuration diagram showing a positional relationship between a ring-shaped permanent magnet and a magnetic detection element as a modified example of the second embodiment. 1 ... Main housing, 2 ... Space, 3 ... Sub housing, 4
... Magnetic fluid, 5 ... Permanent magnets, 12a-12d ... Magnetic sensing element, 50
a to 50d, 51a to 51d ... Protrusion pair.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 稔久 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 杉谷 達夫 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 井上 秀雄 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−138875(JP,A) 特開 平2−90061(JP,A) 特開 昭61−62870(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshihisa Ishihara 14 Iwatani, Shimohakaku-cho, Nishio-shi, Aichi Japan Auto Parts Research Institute, Inc. (72) Inventor Tatsuo Sugitani 1 Toyota-cho, Aichi Prefecture Toyota Motor Corporation Stock In-house (72) Inventor Hideo Inoue 1 Toyota-cho, Toyota-shi, Aichi Toyota Motor Co., Ltd. (56) Reference JP-A-2-138875 (JP, A) JP-A-2-90061 (JP, A) JP 61-62870 (JP, A)
Claims (4)
に形成した非磁性体製のメインハウジング、 前記メインハウジングの前記片端面を閉鎖すべく前記メ
インハウジングに固定された非磁性体製のサブハウジン
グ、 前記メインハウジングの前記空間の底面に放射状に形成
された底面突起、 前記底面突起と対向して前記サブハウジングの前記空間
側側面に放射状に形成された上面突起、 前記空間内に充満して封入された磁性流体、 前記空間内に前記磁性流体と共に封入され、周面におい
て径方向に着磁され、平面部が前記底面突起と前記上面
突起に対面するディスク状の永久磁石、 前記底面突起の各々と前記上面突起の各々とで形成され
た突起対相互間に設けられ、前記永久磁石の位置を検出
して検出出力を発生する磁気検出素子を備えた加速度セ
ンサ。1. A main housing made of a non-magnetic material having a substantially cylindrical space whose one end surface is open, and a non-magnetic material fixed to the main housing so as to close the one end surface of the main housing. Made of a sub-housing, bottom projections radially formed on the bottom surface of the space of the main housing, top projections radially formed on the space side surface of the sub-housing facing the bottom projections, in the space A magnetic fluid that is filled and sealed; a disk-shaped permanent magnet that is sealed together with the magnetic fluid in the space and is magnetized in the radial direction on the circumferential surface, and a flat surface portion faces the bottom surface projection and the top surface projection; A magnetic detection element is provided between the pair of projections formed by each of the bottom surface projections and each of the top surface projections, and detects a position of the permanent magnet to generate a detection output. Acceleration sensor.
と前記永久磁石周面との間には前記磁性流体が充満した
実質真円のリング状空間が存在し、かつ、前記メインハ
ウジングの底面と前記永久磁石の一方の平面との間およ
び前記サブハウジングと前記永久磁石の他方の平面との
間には、前記磁性流体が充満した薄板状空間が互いに相
対向して存在することを特徴とする請求項1記載の加速
度センサ。2. A substantially perfect circular ring-shaped space filled with the magnetic fluid exists between the inner wall of the cylindrical space of the main housing and the peripheral surface of the permanent magnet, and the bottom surface of the main housing. Thin plate-like spaces filled with the magnetic fluid are present to face each other between the flat surface of the permanent magnet and the flat surface of the sub housing and the other flat surface of the permanent magnet. The acceleration sensor according to claim 1.
平面方向に沿った多数の直線方向運動を許容する広い目
の寸法に設定され、かつ前記薄板状空間は、前記永久磁
石の回転運動を実質的に阻止するように狭めの寸法に設
定され、前記磁気検出素子は前記永久磁石の前記直線方
向運動に応じた検出出力を発生するように前記永久磁石
の周囲に所定間隔で少なくとも4ヵ所に分散して設けら
れている請求項2記載の加速度センサ。3. The ring-shaped space is set to have a size of wide eyes that allow a large number of linear movements of the permanent magnet along the plane direction, and the thin plate-shaped space is configured to rotate the permanent magnet. Is set to have a narrower size so as to substantially prevent the magnetic field, and the magnetic detection element has at least four locations at predetermined intervals around the permanent magnet so as to generate a detection output according to the linear movement of the permanent magnet. The acceleration sensor according to claim 2, wherein the acceleration sensors are dispersed in the same.
平面方向に沿った直線方向運動を実質的に阻止するよう
に狭く寸法設定され、一方、前記薄板状空間は前記永久
磁石の回転運動を許容するように広い目の寸法設定がな
され、前記磁気検出素子は前記永久磁石の前記回転運動
に応じた検出出力を発生するように前記永久磁石に相対
向して少なくとも1個設けられていることを特徴とする
請求項2記載の加速度センサ。4. The ring-shaped space is narrowly dimensioned so as to substantially prevent linear movement of the permanent magnet along the planar direction, while the thin plate-shaped space is rotational movement of the permanent magnet. The size of a wide eye is set so as to allow the magnetic field, and at least one magnetic detection element is provided opposite to the permanent magnet so as to generate a detection output according to the rotational movement of the permanent magnet. The acceleration sensor according to claim 2, wherein:
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