JP2007113975A - 傾斜センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 通常対象とする傾斜以外の振動・衝撃等の急激な加速度が加わった場合に、移動体の変位を規制して、誤検知をするのを防止することを図った傾斜センサを提供する。
【解決手段】 傾斜センサ１は、加速度を受けて移動する導電性を有する移動体６が、移動体６を封入した容器２に形成されている通路内を移動する際の静電容量の変化を検出することにより、容器２が取り付けられている被検出体の傾斜を検出する。移動体６が定常位置にあるときの通路幅をＹとし、移動体６が傾斜状態にあるときに占める通路の通路幅をＸとし、移動体６の径をＺとしたとき、Ｙ＞Ｘ＞Ｚの関係がある。定常位置にあるときの移動体６が急な加速度を受けて大きく変位するときには、通路幅Ｘの狭い通路に入り難くなり、誤検出を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、取り付けた被検出体の加速度や転倒に伴う姿勢の変更を検出することができる傾斜センサに関する。

従来、傾斜センサについては、発光部と受光部との間に傾斜面が形成された基体と、基体に装着された蓋体と、基体と蓋体との間に傾斜面に沿って移動可能に収納された球体とで構成されており、簡易な構造でありながら被検出体の傾斜を検出することを図った傾き検出用光センサが提案されている（特許文献１）。光センサを搭載した被検出体が傾斜面の傾斜角により設定される角度以内の非傾斜状態にあるときは球体が傾斜面の中央に位置するので、発光部から発生された光は球体により遮断されて受光部により受光されない。他方、上記の角度を超えていずれかの方向（時計回り方向または反時計回り方向）に傾斜されると、球体が傾斜された方向へ移動するため発光部から発生された光は、球体により遮断されることなく、受光部により受光され電気信号として検出される。受光体に受光の有無に応じて発生された電気信号を介して光センサが搭載された被検出体の傾斜を検出することが図られている。

しかしながら、現状の傾斜センサについては、傾斜以外の振動・衝撃等の急激な加速度が加わった場合、その加速度により、例えば球体から成る移動体が傾斜面や通路内を動き、傾斜を誤検知することがあった。
特開平８−２２６９８１８号公報（段落［００１３］、［００１７］〜［００１８］、図１）

そこで、急激な加速度が作用したときには移動体の動きも過大になることに着目して、移動体の過大な動きが生じるときには、移動体の変位を規制する点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、通常対象とする傾斜以外の振動・衝撃等の急激な加速度が加わった場合には、移動体の変位を規制して、誤検知をするのを防止することを図った傾斜センサを提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明による傾斜センサは、加速度を受けて移動する導電性を有する移動体と前記移動体を封入した容器との間の静電容量を測定し、前記移動体が前記容器の通路内を移動する際の前記静電容量の変化を検出することにより、前記容器が取り付けられている被検出体の傾斜を検出する傾斜センサであって、前記移動体が定常位置にあるときの通路幅をＹとし、前記移動体が傾斜状態にあるときの前記通路幅をＸとし、前記移動体の径をＺとしたとき、Ｙ＞Ｘ＞Ｚの関係があることを特徴としている。

この傾斜センサによれば、移動体が傾斜状態にあるときの通路幅Ｘは、移動体の径Ｚよりも広いが、移動体が定常位置にあるときの通路幅Ｙよりも幅狭であるので、定常位置にあるときの移動体が急な加速度を受けて大きく変位するときには、通路幅Ｘの狭い通路に入り難くなり、事実上、誤検出する可能性がなくなる。

上記の傾斜センサにおいて、前記容器は、前記通路のための貫通孔が形成された中間の非導電性の板の両側を、導電性の板で挟んだ三層構造とすることができる。この傾斜センサによれば、通路の両側が導電性の板からなり、定常位置と傾斜位置とで対向する導電性の板間の間隔が移動体の有無により変化するので、その静電容量の変化を検出して傾斜を検知することができる。

上記の傾斜センサにおいて、前記容器は、前記通路のための貫通孔が形成された中間の導電性の板の両側を非導電性の板で挟んだ三層構造とし、両非導電性の板の内壁部に電極を設けることができる。この傾斜センサによれば、通路の両側が非導電性の板からなるが、内壁部、即ち幅広い通路と幅狭い通路とにおいて両側の内壁部には電極を備えているので、定常位置と傾斜位置とで対向する電極間の間隔が移動体の有無により変化するときに、その静電容量の変化を検出して傾斜を検知することができる。

上記の傾斜センサにおいて、前記容器は、前記通路のための貫通孔が形成された中間の導電性の第１層と非導電性の第２層とからなる板の前記第１層側をその内壁部に電極が設けられた非導電性の板で、前記第２層側を導電性の板で挟んだ四層醸造とすることができる。この傾斜センサによれば、通路の各側が電極又は導電性の板からなるので、定常位置と傾斜位置とで対向する電極間の間隔が移動体の有無により変化し、電極と導電性の板との間の変化する静電容量を検出することができる。また、この傾斜センサにおいて、前記第１層と前記第２層とを一体に積層させて、前記中間の板を構成することができる。

また、この発明による傾斜センサは、加速度を受けて容器の通路内を移動する移動体を有し、前記移動体の有無をフォトセンサにより検出することにより、前記容器が取り付けられている被検出体の傾斜を検出する傾斜センサであって、前記移動体が定常位置にあるときの通路幅をＹとし、前記移動体が傾斜状態にあるときの前記通路幅をＸとし、前記移動体の径をＸとしたとき、Ｙ＞Ｘ＞Ｚの関係があることを特徴としている。

この傾斜センサによれば、移動体が傾斜状態にあるときの通路幅Ｘは、移動体の径Ｚよりも広いが、移動体が定常位置にあるときの通路幅Ｙよりも幅狭であるので、定常位置にあるときの移動体が急な加速度を受けて大きく変位するときには、通路幅Ｘの狭い通路に入り難くなり、事実上、誤検出する可能性がなくなる。移動体の有無は、発光素子や受光素子から成るフォトセンサにより検出される。光の検出に基づいて移動体の存在を検出しているので、傾斜センサがボールや内壁部の材質に依存せず、材料の融通性が高まり、製造コストを低減し、検出作動についても電気的な環境に影響されずに安定化が図れる。移動体を磁石として、フォトセンサに代えて、ホール素子を用いてもよい。

上記各傾斜センサにおいて、前記容器内に液体を封入することができる。移動体は、液体の内部で移動することになるので、液体の粘性によって移動体の過大な動きが抑制され、加速度の大きい振動や衝撃などによる誤検知を更に少なくすることができる。

この発明は、上記のように構成されているので、移動体が定常位置にあるときの通路幅をＹとし、前移動体が傾斜状態にあるときの通路幅をＸとし、移動体の径をＺとしたとき、Ｙ＞Ｘ＞Ｚの関係があるように設定しているので、傾斜検知部の移動体の通路幅が定常位置にあるときの通路幅よりも狭くなっている。そのため、通常対象とする傾斜以外の振動・衝撃等の急激な加速度が加わった場合のように、移動体に傾斜以外の急激な加速度が加わった場合、定常位置にあるときの移動体が急な加速度を受けて大きく変位するときには移動体は通路幅Ｘの狭い通路に入り難くなり、誤検知が生じにくい。結果的に移動体の変位が規制され、誤検知を防止することができる。また、移動体安定位置と傾斜検知部とで移動体の通路幅が異なるため、検知部に電極などを設ける必要がなく、簡単安価な構造で、静電容量或いは光による移動体の検知が可能である。

以下、添付した図面に基づいて、この発明による傾斜センサの実施例を説明する。図１はこの発明による傾斜センサの一実施例を示す図である。

図１に示す傾斜センサ１は、シリコン等の導電性のある側板３，４と、側板３，４間に挟まれたガラスなどの非導電性の中間板５とを三層構造に構成された容器２の形態に構成されている。容器２の内部には移動体としてのステンレス等の導電性のある材料から形成されているボール６が収容されている。ボール６を収容するため、中間板５には貫通孔７が形成されているとともに、板３，４には、貫通孔７に対応して窪み８，８が形成されている。図１に示すように、傾斜センサ１は、容器２との間に相対的な加速度を受けて移動可能なボール６等の移動体を入れた容器２の側板３，４間の静電容量を測定し、ボール６が動くことによる静電容量の変化を検出するセンサである。

貫通孔７と窪み８，８とで、ボール６の径Ｚよりも充分広い幅Ｙを有する第１通路９が形成されている。第１通路９は、ボール６に大きな加速度が作用しないときの、ボール６の安定位置を定めている。貫通孔７は、窪み８，８よりも、図１（ｄ）に示すように、左右の感度軸方向に広がって形成されている。板３，４に挟まれる貫通孔７によって、第１通路９に隣接して且つ第１通路９に繋がって、第２通路１０が形成されている（図１（ｄ）及び（ｅ））。第２通路１０の通路幅Ｘは、ボール６の径Ｚよりも広いが、第２通路１０が窪み８，８によって定められていない分だけ、第１通路９の幅Ｙよりも狭い幅となっている。

図１の各分図に示すように、容器２を構成する導電性の板３，４と中間板５とは、略同等の厚さを有する正面正方形の板材である。貫通孔７及び窪み８，８以外の部分は、平坦に形成されており、板３，４と中間板５との接合面は液密に接合される。図１（ａ）は正面図であり、表側には内部に液体を注入する封止部１１が見える。ボール６及び第１通路９及び第２通路１０は隠れ線で示されている。

図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａで切断した断面図である。中間板５に形成される貫通孔７の内周面には、加工上の観点も含めて、両側から当距離の中間点で凸の稜線７ａが形成されており、それに応じて、ボール６は稜線７ａからいずれかの側に偏っている。窪み８，８は、上下方向に限れば、貫通孔７よりも僅かに狭い広さに形成されている。窪み８，８は、周辺部が斜面となった板３，４の厚さの約半分の深さにまで浅い皿状に形成されている。図１（ｃ）は、図１（ａ）の裏面側から見た図である。

図１（ｃ）で図１（ａ）のＡ−Ａと直交する方向Ｃ−Ｃで切断した断面図が図１（ｄ）に示されている。貫通孔７は、窪み８，８よりも感度軸方向に広い。図１（ｂ）でＢ−Ｂで切断した断面図が図１（ｅ）、（ｆ）に記載されている。図１（ｆ）は、本傾斜センサ１が取り付けられる非検出体（図示せず）が転倒したために、傾斜センサも横に倒れた状態で示されている。本実施例では、図１（ｅ）に示すようにボール定常位置となる第１通路９での容器幅Ｙ（図１（ｄ））に対し、傾斜検知部となる第２通路１０の容器幅Ｘを狭くしている。こうした通路幅の変更により、振動・衝撃などでボール６に傾斜以外の振動が加わっても、ボール６が第１通路９から第２通路１０に入り難い構造となっている。

更に、図１（ｅ）及び（ｆ）に示すように、傾斜センサ１の寸法を、両第２通路１０，１０を結ぶ感度軸方向と直交する上下方向（図中、第１通路９内の矢印で示す方向）に長くすることにより、振動・衝撃などにより上下方向に加速度が加わっても、第２通路１０にボール６が入り難い構造としている。

傾斜検知については、側板３と側板４との間の静電容量を測定する。
（１）ボールが定常位置に有るときには、第１通路９の通路幅Ｙからボール６の径Ｚを除いた間隔（Ｙ−Ｚ）が大きいため、側板３と側板４との間の静電容量が小さい。
（２）ボール６が傾斜状態に有るときには、第２通路１０の通路幅Ｘからボール径Ｚを除いた間隔（Ｘ−Ｚ）が小さいため、側板３と側板４との間の静電容量が大きい。
この両場合の静電容量の違いでセンサ１の傾斜を検知する。なお、この構造は、側板３と側板４そのものを検知部として使用できるため、以降に記載する実施例に比べて構造が簡単で安価なセンサが得られる。

実施例１のセンサを等価回路で示すと、図２（ａ）に示すように、ボールが動くことに寄り、静電容量が変化する可変コンデンサとして表される。一例として、本センサ１を検出回路に組み込んだ例を図２（ｂ）に示す。

一般的に平行平板の静電容量は次の式で表される。
静電容量＝誘電体の誘電率×平板の面積／平板間の距離
実施例１の場合に当てはめて考えると、ボール６が動くことにより、
定常時のボール６が存在する第１通路９の平板間の距離＝Ｙ−Ｚ
傾斜時のボール６が存在する第２通路１０の平板間の距離＝Ｘ−Ｚ
ここで Ｙ＞Ｘより、ＹーＺ＞Ｘ−Ｚとなる。
また、定常時と傾斜時での変数は（平板間の距離）のみであるから、
（定常時の側板３，４間の静電容量）＜（傾斜時の側板３，４間の静電容量）となる。
この現象を利用し、センサ１を図２（ｂ）に示した回路に組み込むと、定常時と傾斜時の出力電圧は図３（ａ）（ｂ）に示すようになり、Ｅ，Ｆ間の差を検出して傾斜の判定を行う。

この発明による実施例２が図４（ａ）に示されている。図４（ａ）に示す傾斜センサ２０において、側板２３，２４を導電性のないガラス板などとし、また中間層２５をシリコンなどの導電性の板とし、側板２３，２４の内壁部に金、アルミなどの金属製の電極２６を複数個付着させ、定常位置と傾斜位置の対向する電極２６，２６間の間隔がボール６の有無により変化することを利用して、その静電容量の差を検出することにより、傾斜センサ２０が取り付けられた被検出体の傾斜・転倒の有無を判定する。

この発明による実施例３が図４（ｂ）に示されている。図４（ｂ）に示す傾斜センサ２１においては、側板２３側にだけ、図５（ａ）〜（ｃ）の斜線部に示すような金、アルミなどの金属製の電極２６が付着されている。側板２４側は導電性のあるシリコン板とし、電極２６と側板２４間の静電容量が検出される。即ち、傾斜センサ２１においては、容器は、ボール６が移動する通路のための貫通孔が形成された中間の導電性の第１層２５と非導電性の第２層２７とからなる板について、第１層２５側をその内壁部に電極２６が設けられた非導電性の側板２３で、また第２層２７側を導電性の側板２４で挟んだ四層醸造とされている。傾斜センサ２１によれば、定常位置と傾斜位置とで対向する電極２６と導電性の側板２４との間の間隔がボール６の有無により変化するのに伴って電極２６と導電性の側板２４との間の静電容量が変化し、その変化する静電容量を検出することができる。また、傾斜センサ２１において、第１層２５と第２層２７とが一体に積層されて上記中間の板を構成することができる。更に、実施例２及び実施例３においては、金属製の電極２６の配置を図５（ａ）〜（ｃ）に示す斜線部に示すような配置とすることができる。図５（ａ）の配置では、幅Ｘを有する第２通路１０に電極２６が配置されている。図５（ｂ）の配置では、幅Ｙを有する第１通路９に電極２６が配置されている。また、図５（ｃ）の配置では、幅Ｙを有する第１通路９と幅Ｘを有する第２通路１０とに電極２６が配置されている。

この発明による実施例４が図６に示されている。図６（ａ）は傾斜センサの横断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。実施例４である傾斜センサ３０には、静電容量以外の検出方式が採用されている。実施例４では、中間板３５を挟む側板３３，３４は、光を透過する透明なガラス等とされている。ボール定常位置に対応して、側板３３，３４の外側には、フォトセンサ等の発光素子３７・受光素子３８を用いたセンサが対向して置かれている。ボール３６の有無（本例の場合、ボール３６の無いこと）を検知することで、傾斜検知することができる。この例の場合、ボール３６は光の透過性のないボールであれば、金属製以外にも、樹脂、セラミックなどの材質でもよい。なお、フォトセンサの位置は、傾斜時のボール位置（Ｘ幅部）にあっても同様の効果が得られる。

この発明による実施例５が図７に示されている。図７は傾斜センサの横断面図である。実施例５である傾斜センサ４０でも、静電容量以外の検出方式が採用されている。ボール４６を磁石とし電極板の代わりにホール素子４７，４８を使い、ボール４６の有無（本例の場合、ボール４６の無いこと）を検知し、傾斜検知することができる。なお、ホール素子４７，４８の位置は、傾斜時のボール位置（Ｘ幅部）にあっても同様の効果が得られる。

この発明による実施例６として、上記の実施例１〜５においては、振動などによる誤検知を更に少なくするために、容器内にエチレングリコールのような液体を入れることができる。ボールを液体に浸すことにより、液体の粘性を利用して、ボールの盲動を抑制することができる。

この発明による実施例７として、上記の実施例１〜６においては、各側板及び中間層から構成される容器は、ガラスやシリコンだけでなく、樹脂や金属材を使用してもよい。

この発明による実施例１を示す図である。 この発明による実施例１のセンサの等価回路と、センサを組み込んだ検出回路の例を示す回路図である。 傾斜センサが定常時と傾斜時とにあるときの、図３に示す回路の出力電圧の一例を示す図である。 この発明による実施例２及び実施例３を示す図である。 金属電極の配置の例を示す図である。 この発明による実施例４を示す図である。 この発明による実施例５を示す図である。

符号の説明

１，２０，３０，４０ 傾斜センサ
２ 容器
３，４，２３，２４，３３，３４、４３，４４ 側板
５，２５，３５、４５ 中間板
６，２６，３６，４６ ボール
７ 貫通孔
７ａ 稜線
８，８ 窪み
９ 第１通路
１０ 第２通路

Claims (8)

1. 加速度を受けて移動する導電性を有する移動体と前記移動体を封入した容器との間の静電容量を測定し、前記移動体が前記容器の通路内を移動する際の前記静電容量の変化を検出することにより、前記容器が取り付けられている被検出体の傾斜を検出する傾斜センサであって、
   前記移動体が定常位置にあるときの通路幅をＹとし、前記移動体が傾斜状態にあるときの前記通路幅をＸとし、前記移動体の径をＺとしたとき、Ｙ＞Ｘ＞Ｚの関係があることを特徴とする傾斜センサ。
2. 前記容器は、前記通路のための貫通孔が形成された中間の非導電性の板の両側を導電性の板で挟んだ三層構造であることを特徴とする請求項１に記載の傾斜センサ。
3. 前記容器は、前記通路のための貫通孔が形成された中間の導電性の板の両側を非導電性の板で挟んだ三層構造であり、前記両非導電性の板の内壁部に電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の傾斜センサ。
4. 前記容器は、前記通路のための貫通孔が形成された中間の導電性の第１層と非導電性の第２層とからなる板の前記第１層側をその内壁部に電極が設けられた非導電性の板で、前記第２層側を導電性の板で挟んだ四層醸造であることを特徴とする請求項１に記載の傾斜センサ。
5. 前記第１層と前記第２層とが一体に積層されて前記中間の板を構成していることを特徴とする請求項４に記載の傾斜センサ。
6. 加速度を受けて容器の通路内を移動する移動体を有し、前記移動体の有無をフォトセンサにより検出することにより、前記容器が取り付けられている被検出体の傾斜を検出する傾斜センサであって、
   前記移動体が定常位置にあるときの通路幅をＹとし、前記移動体が傾斜状態にあるときの前記通路幅をＸとし、前記移動体の径をＸとしたとき、Ｙ＞Ｘ＞Ｚの関係があることを特徴とする傾斜センサ。
7. 加速度を受けて容器の通路内を移動する磁石から成る移動体を有し、前記移動体の有無をホール素子により検出することにより、前記容器が取り付けられている被検出体の傾斜を検出する傾斜センサであって、
   前記移動体が定常位置にあるときの通路幅をＹとし、前記移動体が傾斜状態にあるときの前記通路幅をＸとし、前記移動体の径をＸとしたとき、Ｙ＞Ｘ＞Ｚの関係があることを特徴とする傾斜センサ。
8. 前記容器内に液体を封入したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の傾斜センサ。

Images