JP2010175386A - 基板形センサ - Google Patents

Abstract

【課題】フレキシブルプリント基板によって構成される基板形センサにおいて、フレキシブルプリント基板の引出し部からコネクタまでの結線作業能率を向上させ、組立を容易にする。
【解決手段】フレキシブルプリント基板からなる基板本体に渦巻状のコイルを含むセンサ回路要素を搭載して円筒状等の立体形状を構成する基板形センサにおいて、基板本体を支持し、その立体形状を維持する支持部１１と、基板本体から延設されて引き出されるとともに、終端部分２ｃが支持部１１上で位置決めされ、センサ回路要素のリード線としての複数の導電パターン２ｅを有する引出し部２ｂと、上記の終端部分２ｃにおいて複数の導電パターン２ｅにそれぞれ圧接する複数のピン１４ｂを有するコネクタ１４とを設けた。
【選択図】図８

Description

本発明は、変位センサ装置に用いられる基板形センサに関する。

金属製対象物の変位を検出する変位センサ装置においては、積層鋼板の鉄心にコイルを巻いたセンサが使用されてきた。このような変位センサ装置では、対象物の変位を、インダクタンスの変化として捉えることができる。しかし、このようなセンサの構成は、体積・重量が大きく、構成部品数も多いので、材料コストが高く、組立工数も多くなる。
一方、プリント基板のような平面上に、渦巻状のコイルを構成し、インダクタとしたものも提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。このような平面コイルの構造は、積層鋼板にコイルを巻く構造に比べて、軽量・コンパクト化に大きく寄与するものと期待される。

また、本出願人は先に、対象物のまわりを囲む円筒状のフレキシブルプリント基板に変位検出用の複数の渦巻状のコイルを搭載した基板形センサを提案している（特願２００８−２９２１４３）。このような基板形センサは、コイルその他の必要なセンサ回路要素が搭載された基板本体と、この基板本体から細片状に延設された引出し部とを備えている。引出し部には、リード線に相当する導電パターンがプリントされている。導電パターンの端部には半田付けにより電線が接続され、これらの電線がコネクタに、半田付けにより接続される。

特表２００６−５０９１８９号公報（図１他） 特開２００５−３０３１０６号公報（段落［０００５］）

しかしながら、上記のような引出し部からコネクタまでの配線構造では、導電パターンと電線との半田付け、及び、電線とコネクタとの半田付けが必要であり、半田付け箇所が多いため、結線作業の能率が悪い。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、フレキシブルプリント基板によって構成される基板形センサにおいて、フレキシブルプリント基板の引出し部からコネクタまでの結線作業能率を向上させ、組立を容易にすることを目的とする。

本発明は、フレキシブルプリント基板からなる基板本体に渦巻状のコイルを含むセンサ回路要素を搭載して所定の立体形状を構成する基板形センサであって、前記基板本体を支持し、前記立体形状を維持する支持部と、前記基板本体から延設されて引き出されるとともに、その終端部分が前記支持部上で位置決めされ、前記センサ回路要素のリード線としての複数の導電パターンを有する引出し部と、前記終端部分において前記複数の導電パターンにそれぞれ圧接する複数の導電体を有するコネクタとを備えたものである。
上記のように構成された基板形センサでは、支持部上で位置決めされた引出し部の導電パターンにコネクタの導電体を圧接させることにより、当該コネクタを介して外部回路との電気的接続が可能となる。

また、上記基板形センサにおいて、導電パターンの端部には、孔の周縁部が導体であるホールが設けられ、かつ、導電体はピンであって、当該ピンがホールに差し込まれる構成であってもよい。
この場合は、ピンをホールに差し込むことで、容易に電気的接続を成すことができる。

また、上記基板形センサにおいて、支持部は円筒状であって、基板本体はその内周面に支持され、引出し部は支持部の軸方向端面で外側へ折り返して外周面に支持されるよう構成してもよい。
この場合、柔軟性のあるフレキシブルプリント基板の特長を生かして、容易に、引出し部を支持部の内周面から外周面に引き出すことができる。

また、上記基板形センサにおいて、支持部の外周面には、引出し部の終端部分を沿わせて嵌め込む凹部が形成されていることが好ましい。
この場合、凹部に終端部分を沿わせて嵌め込むだけで、簡単に、引出し部の位置決めを行うことができる。

本発明の基板形センサによれば、引出し部の導電パターンにコネクタの導電体を圧接させることにより、当該コネクタを介して外部回路との電気的接続が可能となるので、導電パターンやコネクタに電線を半田付けする作業は不要となる。これにより、引出し部からコネクタまでの結線作業能率を向上させることができ、基板形センサの組立が容易になる。

本発明の基板形センサの基本的要素となる平面コイルの原理を説明する図である。 ＬＣ回路の周波数特性の一例を示すグラフである。 （ａ）は、基板形センサの主要部を構成するセンサ基板の展開図であり、（ｂ）は、センサ基板の基板本体を円筒状に丸めた状態を示す斜視図である。 丸めた状態のセンサ基板を支持し、かつ、その円筒形状を維持するための構成の概略を示す斜視図である。 ハブユニットの断面図である。 センサ基板、支持部、ハウジング及びコネクタの分解斜視図である。 支持部の部分拡大図である。 支持部上における、引出し部の終端部分とコネクタとの接続態様を示す図である。 他の形態のコネクタを示す図である。

図１は、本発明の基板形センサの基本的要素となる平面コイルの原理を説明する図である。この平面コイル１は、（ａ）に示すように、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）からなるセンサ基板２上に、導電部を渦巻状に形成して成るコイル３を設けたものである。このような平面コイル１は、例えば、銅やアルミニウム等の金属箔が貼着されたフレキシブルプリント基板からエッチングを行って、渦巻のパターンを残すことにより製作することができる。

なお、コイル３の渦巻中心の端部は、例えばスルーホールで裏面へ導出することができる。そして、裏面にも電流の巻き方向が同じになるように（磁界が相殺しないように）コイル３を設けることにより、十分なターン数を確保することができる。コイル３は、渦巻のターン数（渦を巻いている回数）、コイルの断面積、コイルの長さ等に依存するインダクタンスＬを有するが、ターン数は２乗で関与するため、最も支配的な要素である。従って、ターン数を確保することによって、所望のインダクタンスを得ることが可能である。

（ｂ）は、平面コイル１を、変位の検出対象物４と近接対向させた状態を示す斜視図である。検出対象物４は金属製（例えば鉄系金属）であり、導電性を有する。コイル３のインダクタンスは、この検出対象物４によって影響を受ける。また、交流信号に対して、コイル３のパターンと検出対象物４との間に、パターン面積や相互間の距離に依存したキャパシタンスが現れる。従って、このような平面コイル１は、等価的に、（ｃ）に示すような並列のＬＣ回路となる。ここで、インダクタンスＬやキャパシタンスＣの値は、検出対象物４と平面コイル１とのギャップによって変化する。

上記ギャップが増大すると、交流信号に対するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣが共に低下し、逆に、ギャップが減少すると、インダクタンスＬ及びキャパシタンスＣが共に上昇する。従って、ギャップの変化により、ＬＣ回路の自己共振周波数ｆ（＝１／（２π（Ｌ・Ｃ）^1/2））が変化する。
図２は、ＬＣ回路の周波数特性の一例を示すグラフである。周波数特性は、例えば自己共振周波数ｆ１でピークとなる実線の曲線であるが、自己共振周波数が低下してｆ２になると、周波数特性は破線の曲線となる。この結果、ＬＣ回路に一定の発振周波数ｆ０を供給している場合において、ＬＣ回路の出力（振幅）は、Ｖ１からＶ２に変化する。このようにして、ギャップの変化を出力の変化として検出することができる。

次に、上記のような平面コイル１の原理を応用した、本発明の一実施形態に係る基板形センサの概要について説明する。この基板形センサは、例えば変位センサ装置のセンサヘッド部分を構成するものである。
図３の（ａ）は、基板形センサの主要部を構成するセンサ基板２の展開図である。図において、フレキシブルプリント基板からなるセンサ基板２上には、４個のコイル３が２段に、合計８個設けられている。なお、図ではコイル３を簡略化して同心円のように描いているが、実際は、図１に示したような渦巻である（以下、同様。）。

このセンサ基板２は、コイル３を搭載する基板本体２ａと、コイル３への接続線をまとめて導出するための引出し部２ｂとを備えている。引出部２ｂは、基板本体２ａと一体に細片状に延設されている。基板本体２ａ及び引出し部２ｂには、コイル３及び導電路のパターン（図示せず。）等のセンサ回路要素が搭載される。また、その他の電子デバイスを含めたセンサ回路要素を搭載することも可能である。

図３の（ｂ）は、上記のようなセンサ基板２の基板本体２ａを円筒状に丸めた状態を示す斜視図である。図において、Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに直交する３方向とする。Ｙを軸方向としたとき、周方向に４個のコイル３は、位相９０度ごとに配置され、径方向に対向する一対二組のコイル３からの出力を各組で差動増幅することにより、対象物（図示せず。）のＸ方向及びＺ方向の変位をそれぞれ検出することができる。また、周方向４個のコイル３がＹ方向に２個あることにより、Ｘ方向及びＺ方向の変位は、それぞれ２系統出力（Ｘ１，Ｘ２，Ｚ１，Ｚ２）として検出することができる。

図４は、丸めた状態のセンサ基板２を支持し、かつ、その円筒形状を維持するための構成の概略を示す斜視図である。図において、センサ基板２の基板本体２ａは、円筒状の支持部１１の内周面上に取り付けられる。内周面への固定には、例えば、耐熱樹脂接着剤を使用することができる。なお、図示しないが、センサ基板２の軸方向端部から径方向外方へ、取付用の小片（止め代のようなもの）を設け、これを支持部１１の軸方向端面にねじ止めすることも可能である。

支持部１１の内周面に固定された基板本体２ａの内側には、径方向の微小な隙間を確保して、検出対象物としての回転体１２が挿入される。この回転体１２とは例えば自動車の車軸である。その場合、支持部１１は転がり軸受装置の固定輪に取り付けられ、可動輪に回転体（車軸）１２が取り付けられている。そして、上記の隙間は、転がり軸受装置によって維持される。この隙間の変化によって、前述のインダクタンスＬ，キャパシタンスＣが変化する。従って、車輪に荷重が作用した際に発生する車軸の径方向の変位を、前述の出力の変化として検出することができる。

上記のセンサ基板２及び支持部１１は、後述のコネクタと共に、基板形センサ１０を構成する。
図５は、転がり軸受装置の一種であるハブユニットの断面図である。このハブユニット１００は車両に取り付けられるものであり、取り付けた状態では、図５における右側が車両のアウター側（車両の外側）であり、左側が車両のインナー側（車両の内側）である。図５において、ハブユニット１００の中心軸Ｃに沿った方向をＹ方向とし、これに直交する紙面に垂直な方向をＸ方向とし、Ｙ方向及びＸ方向の双方に直交する鉛直方向をＺ方向とする。従って、このハブユニット１００が自動車に取り付けられた状態においてＸ方向は車輪の前後水平方向となり、Ｙ方向は車輪の左右水平方向（軸方向）となり、Ｚ方向は上下方向となる。

このハブユニット１００は、主たる構造部分として、外輪１０１、内軸１０２、内輪部材１０３、ナット１０４、及び、転動体１０５を備えている。外輪１０１は、筒状部１０１ａと、この筒状部１０１ａの一部の外周面から径方向外方へ伸びたフランジ部１０１ｂとを有している。このフランジ部１０１ｂは、車体側の固定部材（図示せず。）に固定され、これによってハブユニット１００が車体に固定される。内軸１０２は、外輪１０１内に挿通される主軸部１０２ａと、車両アウター側にあって径方向外方へ延びるフランジ部１０２ｂとを有している。このフランジ部１０２ｂが、車輪のホイールやブレーキディスクの取付部となる。なお、主軸部１０２ａは、前述の回転体１２（図４）に相当する部分である。

内軸１０２の車両インナー側には、筒状の内輪部材１０３が外嵌され、さらに、内軸１０２の端部に形成された雄ねじ部１０２ｄにナット１０４が螺着されることにより、内輪部材１０３が内軸１０２に固定されている。転動体１０５は、周方向に複数個配置された玉からなる複列の構成となっている。各列の玉は保持器（図示せず。）によって周方向に所定間隔で保持されている。
このハブユニット１００において、外輪１０１は、車体側の固定部材に固定される固定軌道輪である。また、内軸１０２と内輪部材１０３とは、外輪１０１に転動体１０５を介して回転自在に支持された回転軌道輪である。外輪１０１、内軸１０２及び内輪部材１０３は、互いに同軸（中心軸Ｃ）に配置されている。

このように構成されたハブユニット１００において、図４の基板形センサ１０を外輪１０１の内周面上に取り付けることにより、内軸１０２の変位を検出することができる。

次に、センサ基板２の引出し部２ｂからコネクタへの結線に関する構造について詳細に説明する。図６は、センサ基板２、支持部１１、ハウジング１３及びコネクタ１４の分解斜視図である。ハウジング１３は、上記のハブユニット１００における外輪１０１の筒状部１０１ａ（輪切りにした状態）に相当する。図において、引出し部２ｂの終端部分２ｃにはＶ字状の切り欠き２ｄが左右一対に形成されている。支持部１１の外周面には、折り返した引出し部２ｂを沿わせて嵌め込むための凹部１１ａが形成されている。凹部１１ａの形状は、引出し部２ｂの終端部分２ｃと合致する。また、凹部１１ａの左右には、ねじ穴１１ｂが形成されている。

センサ基板２は支持部１１の内周面に装着され、引出し部２ｂは支持部１１の軸方向端面１１ｃで外側へ折り返される。図７は、支持部１１の部分拡大図である。凹部１１ａは、外周面より凹んだ平面状の中間凹部１１ｄをさらに深く凹ませたものであり、引出し部２ｂのＶ字状の切り欠き２ｄと雌雄の関係となる突起１１ｅが形成されている。引出し部２ｂの終端部分２ｃは、この凹部１１ａに嵌め込まれるように装着され、突起１１ｅが切り欠き２ｄに入り込むことにより、位置決めされる。すなわち、凹部１１ａに終端部分２ｃを沿わせて嵌め込むだけで、簡単に、引出し部２ｂの位置決めを行うことができる。
引出し部２ｂには、基板本体２ａにおけるセンサ回路要素のリード線としての複数の導電パターン２ｅが形成されている。なお、本例では図を簡略化するため３つの導電パターン２ｅを示しているが、実際にはさらに多くの導電パターン２ｅが設けられる。

図６に戻り、ハウジング１３には、外周面より少し凹んだ平面であるコネクタ取付面１３ａが形成され、そこには、貫通孔１３ｂが形成されている。また、一対のコネクタ取付面１３ａの間には、角孔１３ｃが形成されている。センサ基板２が支持部１１の内周面に装着され、かつ、折り返した引出し部２ｂが凹部１１ａに位置決めされた状態のセンサ基板２及び支持部１１を、ハウジング１３内の所定位置に挿入すると、角孔１３ｃを通して引出し部２ｂの終端部分２ｃが見える状態となる。また、このとき、一対の貫通孔１３ｂはそれぞれ、一対のねじ穴１１ｂと対応する位置にある。

コネクタ１４は、センサ基板２のセンサ回路要素を外部の回路と接続するためのケーブル１５を備えている。コネクタ１４には、ハウジング１３の貫通孔１３ｂと対応した貫通孔１４ａが形成されている。ねじ１６を、コネクタ１４の貫通孔１４ａからハウジング１３の貫通孔１３ｂに通して、ねじ穴１１ｂに螺着することにより、コネクタ１４をハウジング１３及び支持部１１に固定することができる。

図８は、支持部部１１上における、引出し部２ｂの終端部分２ｃとコネクタ１４との接続態様を示す図である。（ａ）は、支持部１１における凹部１１ａの正面図である。この凹部１１ａに引出し部２ｂの終端部分２ｃが嵌め込まれると、（ｂ）に示す状態となる。導電パターン２ｅの端部にはホール（スルーホール状の孔）２ｆが形成され、その孔の周縁部２ｇは環状の導体である。コネクタ１４には、導電パターン２ｅの数に対応した本数の導電体としてのピン１４ｂが設けられている。また、ピン１４ｂの位置は、３つのホール２ｆの位置に対応している。なお、図示しているのは３本であるが、実際には、導電パターン２ｅの数と同一数のピン１４ｂが設けられる。

コネクタ１４がハウジング１３（図６）及び支持部１１に固定されると、各ピン１４ｂはそれぞれ対応するホール２ｆに僅かに差し込まれ、ピン１４ｂと周縁部２ｇとは互いに圧接して電気的接続が成立する。すなわち、ピン１４ｂをホール２ｆに差し込むだけで、容易に電気的接続を成すことができる。これにより、引出し部２ｂの導電パターン２ｅとコネクタ１４とが電気的に接続され、センサ基板２ａのセンサ回路要素は、外部回路と接続される。

このように、本実施形態に係る基板形センサ１０では、支持部１１上で位置決めされた引出し部２ｂの導電パターン２ｅにコネクタ１４のピン１４ｂを圧接させることにより、当該コネクタ１４を介して外部回路との電気的接続が可能となる。従って、導電パターン２ｅやコネクタ１４に電線を半田付けする作業は不要となる。これにより、引出し部２ｂからコネクタ１４までの結線作業能率を向上させることができ、基板形センサ１０の組立が容易になる。また、電線が不要になる分、省スペース化にも寄与する。

また、柔軟性のあるフレキシブルプリント基板の特長を生かして、基板本体２ａは円筒状の支持部１１の内周面に支持され、引出し部２ｂは支持部１１の軸方向端面１１ｃで外側へ折り返して外周面に支持される、という構成を採用したことにより、容易に、引出し部２ｂを支持部１１の内周面から外周面に引き出すことができる。

なお、上記実施形態ではケーブル１５付きのコネクタ１４を使用したが、例えば図９に示すように、コネクタ１４は導電パターン２ｅとの電気的接続を成すためだけに使用し、雌のピン穴１４（ピン１４ｂと直結している。）を備えているものであってもよい。この場合には、別のコネクタ１７（ピン１７ｂを有するもの）をコネクタ１４に対して、図示のように接続すればよい。

なお、上記の基板形センサ１０は、円筒状の支持部１１に取り付けられるものとしたが、円筒に限らず、内面が多角形状の筒である支持部に取り付けることも可能である。
また、基板形センサ１０は、転がり軸受装置に限らず種々の装置の変位検出に用いることができる。
また、基板形センサ１０における検出対象物は回転体に限られるものではなく、軸動型の機器や、往復動の機器等、種々の機器における変位検出を行うことができる。

２ａ 基板本体
２ｂ 引出し部
２ｃ 終端部分
２ｅ 導電パターン
２ｆ ホール
２ｇ 周縁部
３ コイル
１０ 基板形センサ
１１ 支持部
１１ａ 凹部
１１ｃ 軸方向端面
１４ コネクタ
１４ｂ ピン

Claims (4)

1. フレキシブルプリント基板からなる基板本体に渦巻状のコイルを含むセンサ回路要素を搭載して所定の立体形状を構成する基板形センサであって、
   前記基板本体を支持し、前記立体形状を維持する支持部と、
   前記基板本体から延設されて引き出されるとともに、その終端部分が前記支持部上で位置決めされ、前記センサ回路要素のリード線としての複数の導電パターンを有する引出し部と、
   前記終端部分において前記複数の導電パターンにそれぞれ圧接する複数の導電体を有するコネクタと
   を備えたことを特徴とする基板形センサ。
2. 前記導電パターンの端部には、孔の周縁部が導体であるホールが設けられ、かつ、前記導電体はピンであって、当該ピンが前記ホールに差し込まれる請求項１記載の基板形センサ。
3. 前記支持部は円筒状であって、前記基板本体はその内周面に支持され、前記引出し部は前記支持部の軸方向端面で外側へ折り返して外周面に支持される請求項１又は２に記載の基板形センサ。
4. 前記支持部の外周面には、前記終端部分を沿わせて嵌め込む凹部が形成されている請求項３記載の基板形センサ。

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