CN101339023B - 倾角传感器 - Google Patents

Abstract

一种倾角传感器，具有导向装置，导向装置带有中间区和一对倾斜通道。导电的球设置在导向装置中。中间区具有平坦底部与平坦顶部，球搁置在平坦底部上。各倾斜通道具有倾斜底部，倾斜底部通过倾斜过渡壁与中间区的平坦底部相连。当传感器保持在水平位置时，球能够与平坦底部和倾斜过渡壁同时接触，而当传感器倾斜得超过用于倾斜度感测的预定角度时，球越过倾斜过渡壁而移向倾斜通道的端部内。球被保持为不与倾斜壁的上端处的边缘接触，从而保护该边缘不会与从中间区向倾斜通道移动的球发生强烈碰撞，所以不会给导向装置带来严重磨损，以确保经过长期使用后还能够进行精确的倾斜度感测。

Description

倾角传感器

技术领域

本发明涉及一种倾角传感器，更具体地说是一种用于倾斜度测量的感应式涡电流传感器。

背景技术

日本专利公开No.2000-161954A公开了一种用于感测物体倾斜运动的倾角传感器。该传感器包括导向装置以及导电球，该导向装置具有中间区和一对从中间区向上的倾斜通道，所述导电球接收在导向装置中以在中间区和倾斜通道之间自由滚动或移动。在各倾斜通道的远离中间区的端部处设置有线圈。当球移向倾斜通道的端部时，在球上形成涡电流，这会引起线圈的阻抗变化。还包括有基于阻抗变化输出表示物体倾斜得超过了预定角度阈值的信号的感测电路。该角度阈值取决于倾斜通道相对于基准面的倾角，该基准面由导电球搁置在其上的中间区的平坦底部确定，此时基准面平行于水平面。在上述传感器中，中间区由具有平坦底部和彼此相对的竖直侧部的空腔所构成，每一个竖直侧部所具有的上端部与相关的倾斜通道的倾斜底部形成边角。所以，当球响应于传感器的倾斜而从中间区移向倾斜通道时，需要越过该边角。虽然当传感器没有倾斜得超过角度阈值时，该边角可以产生作用将球保持在中间区，但是在使用当中球会反复碰撞边缘部位，该边角经过长期使用后很可能会变钝。当发生这种情况时，球会响应于传感器的微小倾斜而很容易地越过钝化边缘而移向倾斜通道的端部，从而导致不准确的倾斜度感测。

而且，在上述传感器中，中间区的平坦底部与尖锐的脊部在竖向相对，所述脊部是倾斜通道的倾斜顶部相交之处。虽然该脊部与平坦底部相隔的距离大于球的直径，使得脊部一般不会与导电球接触，但是当传感器被引起在竖直方向移动或振动时，球会与该脊部接触。在与该脊部接触的情况下，球很容易无意间被其中一个倾斜顶部引导而移向倾斜通道的端部，从而导致不准确的倾斜度感测。

发明内容

由于上述问题，本发明已经实现提供一种经过长期使用后能够精确地进行倾斜度感测的倾角传感器。

根据本发明的倾角传感器包括壳体和导向装置，该壳体适于在使用中承载于目标物体上并构造成具有竖直尺寸和横向尺寸，该导向装置在壳体内形成有中间区和一对从中间区相对于壳体的高度尺寸和横向尺寸向上的倾斜通道。导电的球设置在导向装置中以能够在中间区和倾斜通道之间自由移动。传感器包括一对线圈以及感测装置，所述线圈各自设置在各个倾斜通道的远离中间区的端部处，所述感测装置感测各线圈的阻抗变化以提供与所感测到的阻抗变化相应的信号，该阻抗变化由球移动进入倾斜通道引起。中间区具有球搁置在其上并限定基准面的平坦底部。中间区具有平坦顶部，该平坦顶部与平坦底部沿竖向隔开的距离大于球的直径。各倾斜通道具有球在其上滚动且相对于基准面倾斜的倾斜底部。所述倾斜底部通过倾斜过渡壁与中间区的平坦底部相连续。进一步地，平坦底部的尺寸设计为具有的宽度小于球的直径，从而使得当球搁置在中间区上时，球能够与平坦底部和倾斜过渡壁同时接触。由于存在倾斜过渡壁，所以仅在中间区和倾斜底部之间留有钝边，而球搁置在不与该钝边接触的中间区。所以，当球从中间区移向倾斜通道时，球不会跟钝边发生强烈碰撞，从而不会给导向装置带来严重磨损，以确保经过长期使用后还能够进行精确的倾斜感测。另外，由于在平坦底部上方设有平坦顶部，所以即使当传感器受到竖直方向的振动时导致球跳离平坦底部，球也能够安全返回中间区的平坦底部上。因此，在这种情况下球能够避免无意间向倾斜通道移动，从而确保可靠的倾斜度测量。

优选地，倾斜通道的倾斜底部包括第一倾斜底部和第二倾斜底部，第一倾斜底部从倾斜过渡壁相对于基准面成第一角度地向上连续延伸，第二倾斜底部从第一倾斜底部相对于基准面成第二角度θ地向上延续。在这个示例中，第二角度大于第一角度且等于倾斜过渡壁相对于基准面倾斜的角度。这样，只有在传感器或物体倾斜得超过了第二角度θ后，球才能被允许沿着第二倾斜底部向线圈移动，即使当球从中间区跳向第一倾斜底部，而传感器没有倾斜得超过第二角度时，也能被很好地阻止球移向第二倾斜底部。同样，在传感器被保持为倾斜得超过第二角度的情况下，诸如在受到外部振动时球无意间被迫从倾斜通道的端部移出，第一倾斜底部可以临时保持球，并允许球返回第二倾斜底部的端部，从而限制球进一步进入中间区。所有这些都是为了确保准确的倾斜度感测。

壳体包括基座和罩盖，这两者配合构成导向装置。线圈共同安装在固定至基座的印刷电路板上，从而使得线圈能够精确对准导向装置或倾斜通道。

球包括金属核和弹性材料制成的外壳，以减少滚动噪音并减小导向装置的磨损。

可选地，球可包括弹性核和金属外壳，从而确保在球表面形成足够的涡电流以进行可靠的倾斜度感测的前提下，减小球的直径。

进一步地，球可由混合有金属粉末的塑料材料形成，以减小滚动噪音和球的直径。

优选地，倾斜通道的倾斜底部连续延伸到在导向装置的远离中间区的端部处形成的倾斜终端底部。倾斜终端底部相对于基准面倾斜的角度小于倾斜底部相对于基准面的角度。采用这种配置，球能够轻易地在移动到倾斜终端底部后保持在该处，由此相关的线圈能输出一致的输出以进行可靠的倾斜度感测。

导向装置可以形成为具有一对各自承载线圈的绕线管。绕线管构造成具有的内部与倾斜底部相连续以限定倾斜终端底部。这样，倾斜终端底部能够容易且准确地形成为与导向装置其余部分的倾斜底部相连续。

导向装置具有通道构件，通道构件内限定了中间区和倾斜通道。通道构件可以独立于基座形成并设置在基座的空腔内。在本示例中，基座形成有将通道构件或导向装置定位在空腔内准确位置的定位部件。

可选地，通道构件可与基座一体模制为具有导向槽，该导向槽被罩盖封盖。

进一步地，通道构件可与罩盖一体模制以形成导向槽，该导向槽被基座封盖以形成中间区和倾斜通道。在该示例中，基座形成有凹部，在将罩盖装配到基座上时，该凹部能够临时将球保持在相应于导向槽内部的位置处，以轻松地进行传感器的装配。

导向装置可以构造成具有至少环绕中间区的弹性壁。这样，就可以在传感器保持在水平位置时受到竖直方向振动的情况下，减少因球跳动而带来的噪音。

优选地，绕线管由弹性材料制成，以提供环绕倾斜通道的端部部分的弹性壁。例如，弹性材料包括合成树脂和弹性体。这样，就可以减少球移动进入绕线管时的碰撞，从而避免过度的压力施加到线圈和印刷电路板之间的连接部上，以确保经过长期使用后线圈和印刷电路板之间的电连接仍是可靠的。在该连接部中，绕线管具有接合入印刷电路板的孔中的弹性立柱，以用于将绕线管安装到印刷电路板上。绕线管还可构造成具有与导向装置的其余部分接合的接合器，以能够轻松地进行导向装置的装配。

结合附图并根据下述对实施方式的具体说明，本发明的这些以及还有其它的优点特征会变得更加明确。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的倾角传感器的立体图；

图2是罩盖被移除的上述传感器的正视图；

图3是上述传感器的分解立体图；

图4是上述传感器的竖直剖面图；

图5是用于上述传感器中的带有绕线管的印刷电路板的底视图；

图6是示出用于上述传感器中的导向装置和球的示意图；

图7是示出球和导向装置的相关壁表面之间关系的示意图；

图8是球的剖面图；

图9是可以用于上述传感器中的可选的印刷电路板的底视图；

图10和11是分别示出带有绕线管的导向装置的端部部分的局部正视图；

图12和13是分别示出具有不同角度阈值的传感器的内部的示意图；

图14是示出根据本发明第二实施方式的相似传感器的内部的示意图；

图15和16是示出独立模制的导向装置组装入传感器基座的示意图；

图17是示出根据本发明第三实施方式的相似传感器的分解立体图；

图18是上述传感器的分解俯视图；

图19是上述传感器的基座的正视图；

图20是上述传感器的基座的局部图；

图21是根据上述实施方式改型的另一种倾角传感器的局部剖面图；

图22是示出上述传感器的绕线管中的球的局部图；

图23是示出导向装置的修改结构的示意图；

图24是示出可选的绕线管的连接结构的局部图；

图25是安装于印刷电路板的绕线管的底视图；

图26是绕线管与印刷电路板的连接的放大图；以及

图27是示出接合入传感器基座的绕线管的放大图。

具体实施方式

现在参照图1-4，图中示出根据本发明第一实施方式的倾角传感器。倾角传感器被设计为附连到目标物体上以感测物体是否倾斜得超过了角度阈值。传感器包括：薄壳体10，所述薄壳体具有竖向和横向尺寸以及尺寸较小的宽度；形成在薄壳体10内的导向装置40；以及容纳在导向装置内的可沿着导向装置的长度自由移动的导电球100。如图2所示，导向装置40构造成在垂直于壳体10底平面的竖直面内具有位于导向装置中部的中间区50和一对从中间区50向上的倾斜通道60。线圈80设置在各倾斜通道60远端且与印刷电路板90上形成的感测电路电连接。感测电路配置成检测线圈80的阻抗变化，并在球100到达倾斜通道远端时输出表示传感器或物体倾斜得超过了角度阈值的信号，所述阻抗变化是由在从中间区50向倾斜通道60的远端移动的球处形成的涡电流引起的。线圈80绕着安装于印刷电路板90上的绕线管70进行卷绕。壳体10形成有安装孔14以借助于螺钉将传感器附连于物体上，还形成有带有端子17的插座16以与接收来自于感测电路的信号的外部电路电连接。

壳体10包括基座20和罩盖30。壳体10由塑料材料模制成具有作为一体部件的通道构件42。通道构件42成形为具有导向槽，导向槽和对应成型的构件32限定中间区50和倾斜通道60，构件32在固定于基座20上的罩盖30的内表面上凸出。通道构件42与罩盖的一部分配合以限定导向装置40。如图3所示，印刷电路板90安装有电子零件92，其形成与线圈80相连的感测电路，线圈80分别绕着位于印刷电路板90的相对端部上的绕线管70卷绕。印刷电路板90固定于基座20内部的定位构件22上，同时绕线管70设置为分别与倾斜通道60相通。这样，绕线管70将其自身限定于各倾斜通道60的远端部分处。当印刷电路板90被组装入基座20时，印刷电路板90与端子17电连接以提供从感测电路输出的信号。

如图2清楚地示出，中间区50限定为由平坦底部52、平坦顶部54和从平坦底部52的相对端部向上的倾斜过渡壁56所限定的空间。平坦底部52平行于壳体10的底面延伸以限定传感器的基准面。平坦顶部54与平坦底部52竖向隔开的距离大于球100的直径。各倾斜通道60被限定于倾斜底部和对应成形的倾斜顶部之间，以从中间区50向上并终止于绕线管70内部。上述倾斜底部包括第一倾斜底部61和第二倾斜底部62，第一倾斜底部61从倾斜过渡壁56的上端相对于基准面成第一角度地连续延伸，第二倾斜底部62从第一倾斜底部61相对于基准面成第二角度地连续延伸到绕线管70内部，第二角度大于第一角度且等于倾斜过渡壁56相对于基准面的角度。也就是说，第二倾斜底部62平行于倾斜过渡壁56且相对于基准面成第二角度地延伸，这样就由第二角度确定了角度阈值。

当传感器在任一方向倾斜得超过了角度阈值——即第二角度时，就会引起球100向上越过倾斜过渡壁56，并沿着第一倾斜底部61和第二倾斜底部62滚动从而移动至倾斜通道60的远端内——即绕线管70内。从而，感测电路做出响应而输出表示传感器或物体倾斜得超过了角度阈值的信号。当物体朝着水平位置返回时，引起球100离开绕线管70并沿着第二倾斜底部62滚动到达第一倾斜底部61。当物体仍然倾斜得超过比第二角度小的第一角度时，球100停留在第一倾斜底部61上。否则，即物体处于水平位置或者倾斜得略小于第一角度的位置，球100返回中间区50。

如图6和7所示，中间区50的尺寸形成为具有这样的平坦底部52与倾斜过渡壁56，即平坦底部52的宽度小于球100的直径(r)，倾斜过渡壁56的高度大于r(1-cosθ)，其中θ是第二角度，从而使得球100能够与底面52和倾斜过渡壁56上部以下的部分同时接触。这样，当传感器保持在水平位置或者倾斜得不超过第二角度(θ)的位置时，形成在倾斜过渡壁56上端部处的边缘保持为不与球100接触。因此，当传感器受到振动且没有使传感器的倾斜度超过第二角度时，可以防止球100与上述边缘碰撞，从而保持过渡壁56完好无损以长期作业。当传感器或物体受到竖直方向的振动时，球100可能会跳离平坦底部52并碰撞平坦顶部54。发生这种状况时，平坦顶部54将发挥作用把球直接弹回倾斜过渡壁56之间的空腔内，而不会无意中使球转向而朝着倾斜通道60，从而避免了错误的倾斜感测。进一步地，由于倾斜过渡壁56和第二倾斜底部62之间存在有第一倾斜底部61，所以当球100响应于仅瞬时倾斜的传感器而跳离平坦底部52时，球会临时保持在第一倾斜底部61上，从而使得当传感器恢复其水平位置时，球可以马上返回中间区，或者当传感器倾斜得确实超过了第二角度时，球前进到第二倾斜底部62，这样就确保了无误而可靠的倾斜感测。

另外，绕线管70可由诸如弹性体等弹性材料制成，以使得绕线管与球柔软地接触从而减少滚动噪音。

如图8所示，球100优选由金属核102和弹性材料的外壳104制成，以减少滚动噪音。金属核102由例如铁、铜、黄铜、或不锈钢制成，而外壳104由例如橡胶或弹性体制成。可选地，球由弹性核和金属外壳构成，以形成足够的涡电流并具有减小的直径，这使得传感器的设计紧凑。也是为了达到同样的目的，球可以由混合有金属粉末的塑料材料制成。

虽然上述实施方式被描述为采用绕线管70作为导向装置40的远端部分，但是本发明不局限于这种具体布置，可以包括这样的构造，即绕线管70安装于印刷电路板90上且设置为与倾斜通道的端部相邻但处于倾斜通道的端部之外，如图9所示。

参照图10和11，示出导向装置的改型，该改型与上述实施方式相同，只是各倾斜通道60在其远端处设置有倾斜终端底部64，该倾斜终端底部相对于基准面以第三角度倾斜，该第三角度小于第二角度(θ)。因而，球100可以在对传感器的倾斜度超过第二角度(θ)做出响应而移动过第二倾斜底部62后，保持在倾斜终端底部64上，从而当传感器或物体保持为倾斜地超过第二角度时，防止球100无意间朝着中间区50返回移动。

如图12和13所示，通过例如采用与形成基座20其余部分的模具不同的导向装置成形模具来形成导向装置40的通道构件42，传感器可以被制造成具有θ＝60°(图12)和θ＝45°(图13)的不同角度阈值。经导向装置成形模具模制的部分由图中的点线表示。在两种情况中，承载绕线管的印刷电路板是共用的。

图14到16示出根据本发明第二实施方式的相似传感器，该传感器与上述实施方式相同，只是通道构件42独立于基座20模制并装配入基座内，同时借助于定位部件24保持在准确的位置处。为了与定位部件24对准，设计成具有60°(图15)和45°(图16)的第二角度(θ)的各通道构件42模制成具有共用件44。

图17到20示出根据本发明第三实施方式的相似传感器，该传感器与上述实施方式相同，只是通道构件42与罩盖30一体模制，而且与绕线管70和对应构件装配在一起以构成导向装置40。相同的部件由相同的附图标记表示，认为不需要重复说明。罩盖30与基座20和承载绕线管70的印刷电路板90装配在一起，从而得到位于壳体10内的导向装置40。如图19和20所示，基座20在其表面形成有凹部26，用于在基座20水平放置时将罩盖30固定到基座20的装配过程中临时保持球100。在装配结束后，当传感器处于与水平位置一致的工作位置时，球100保持在中间区50内。

图21和22示出上述实施方式的改型，其中绕线管70形成有锥形内壁，该内壁限定从倾斜通道60的第二倾斜底部62连续延伸的上述倾斜终端底部64。

导向装置40可由不同的塑料材料模制为例如具有弹性体制成的弹性壁部分45和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂制成的硬性壁部分47。如图23所示，弹性壁部分45包括形成中间区50以及具有第一倾斜底部61的相邻通道60的壁，而硬性壁部分47包括导向装置的其余部分，包括第二倾斜底部62。

如图24所示，绕线管70可以形成为具有成形边缘，该边缘作为接合器72与通道构件42的端部接合，以将第二倾斜底部与绕线管70的内表面无缝连接，从而确保进出绕线管70的滚动平稳。

图25和26示出绕线管70与印刷电路板90的弹性耦接，从而保持线圈和印刷电路板90上的对应电路之间可靠的电连接。当球突然冲入绕线管70时，弹性耦接可以使电连接免受球施加给绕线管的过度压力，从而确保长期使用中的可靠操作。弹性耦接借助于弹性立柱74产生效力，弹性立柱74从绕线管70一体地凸出，而且接合入印刷电路板90上的对应孔中。如图27中所示，绕线管70接收在基座20的凹部25中，从而精确对准通道构件42的端部，以在通道构件的倾斜通道和绕线管70的内表面之间形成无缝的壁结构。

虽然参照上述实施方式和改型对本发明进行了说明，但是可以对实施方式和改型的个体特征进行适当组合而得到相似的倾角传感器。

Claims (16)

1.一种倾角传感器，包括：

壳体(10)，该壳体(10)适于在使用中承载于目标物体上并构造成具有竖向尺寸和横向尺寸；

导向装置(40)，该导向装置(40)在所述壳体内形成为具有中间区(50)和一对从所述中间区相对于所述壳体的高度尺寸和横向尺寸向上的倾斜通道(60)；

导电的球(100)，该球设置在所述导向装置中以能够在所述中间区和所述倾斜通道之间自由移动；

一对线圈(80)，各所述线圈设置在各所述倾斜通道的远离所述中间区的端部处；

感测装置(92)，该感测装置配置成检测各所述线圈的阻抗变化以提供与所检测到的阻抗变化相应的信号，所述阻抗变化由所述球移动进入所述倾斜通道引起；

其中，所述中间区具有平坦底部(52)并具有平坦顶部(54)，所述球搁置在所述平坦底部(52)上，所述平坦底部限定基准面，所述平坦顶部(54)与所述平坦底部沿竖向隔开的距离大于所述球的直径；

各所述倾斜通道具有倾斜底部(61；62)，所述球在所述倾斜底部(61；62)上滚动并且所述倾斜底部(61；62)相对于所述基准面倾斜，所述倾斜底部通过倾斜过渡壁(56)与所述中间区的所述平坦底部(52)相连续，并且

所述平坦底部的宽度小于所述球的直径，从而使得当所述球搁置在所述中间区上时，所述球能够与所述平坦底部和所述倾斜过渡壁同时接触。

2.如权利要求1所述的倾角传感器，其中

各所述倾斜通道的所述倾斜底部包括第一倾斜底部(61)和第二倾斜底部(62)，所述第一倾斜底部(61)从所述倾斜过渡壁(56)相对于所述基准面成第一角度地向上连续延伸，所述第二倾斜底部(62)从所述第一倾斜底部相对于所述基准面成第二角度(θ)向上连续延伸，所述第二角度大于所述第一角度且等于所述倾斜过渡壁相对于所述基准面倾斜的角度。

3.如权利要求1所述的倾角传感器，其中

所述壳体包括基座(20)和固定至所述基座的罩盖(30)，所述基座与所述罩盖配合以构成所述导向装置，所述线圈共同安装在固定于所述基座内的印刷电路板(90)上。

4.如权利要求1所述的倾角传感器，其中

所述球包括金属核(102)和弹性材料制成的外壳(104)。

5.如权利要求1所述的倾角传感器，其中

所述球包括弹性核和金属外壳。

6.如权利要求1所述的倾角传感器，其中

所述球由混合有金属粉末的塑料材料形成。

7.如权利要求1所述的倾角传感器，其中

所述倾斜通道的所述倾斜底部连续地延伸到在所述导向装置的远离所述中间区的端部处形成的倾斜终端底部(64)，所述倾斜终端底部相对于所述基准面倾斜的角度小于所述倾斜底部(61；62)相对于所述基准面的角度。

8.如权利要求7所述的倾角传感器，其中

所述导向装置包括一对各自承载所述线圈的绕线管(70)，各所述绕线管构造成其内部与所述倾斜底部相连续以限定所述倾斜终端底部(64)。

9.如权利要求1所述的倾角传感器，其中

所述壳体包括基座(20)和固定至所述基座的罩盖(30)，所述导向装置包括独立于所述基座形成并设置在所述基座的空腔内的通道构件(42)，以在所述通道构件(42)内限定所述中间区和所述倾斜通道，

所述基座形成有将所述通道构件(42)定位在所述空腔内的定位构件(24)。

10.如权利要求1所述的倾角传感器，其中

所述壳体包括基座(20)和固定至所述基座的罩盖(30)，所述导向装置(40)包括通道构件(42)，所述通道构件(42)与所述基座一体模制为具有导向槽，所述导向槽被所述罩盖封盖，以在所述壳体中形成所述中间区和所述倾斜通道。

11.如权利要求1所述的倾角传感器，其中

所述壳体包括基座(20)和固定至所述基座的罩盖(30)，所述导向装置包括通道构件(42)，所述通道构件(42)与所述罩盖一体模制成具有导向槽，所述导向槽被所述基座封盖，以在所述壳体中形成所述中间区和所述倾斜通道。

12.如权利要求11所述的倾角传感器，其中

所述基座形成有凹部(26)，在将所述罩盖装配到所述基座上时，所述凹部能够临时将所述球保持在相应于所述导向槽内部的位置处。

13.如权利要求1所述的倾角传感器，其中

所述导向装置构造成具有至少环绕所述中间区的弹性壁(45)。

14.如权利要求1所述的倾角传感器，其中

所述导向装置包括一对承载所述线圈的绕线管(70)，各所述绕线管构造具有与所述倾斜底部相连续的内部，以限定所述倾斜通道的端部部分，

所述绕线管由弹性材料制成，以提供环绕所述倾斜通道的端部部分的弹性壁。

15.如权利要求14所述的倾角传感器，其中

所述绕线管构造成具有接合入印刷电路板(90)的孔中的弹性立柱(74)，以用于将所述绕线管安装到所述印刷电路板上。

16.如权利要求14所述的倾角传感器，其中

所述绕线管构造成具有与所述导向装置的其余部分接合的接合器(72)。

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