JP2018021804A - 振動検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来より信頼性が高く、かつ、組立作業性がよい振動検出器を提供する【解決手段】マグネットと外部接続端子とを固定部に備え、コイルが巻回されたコイルボビンを可動部に備え、可動部が固定部に振動が加わった際の慣性力により固定部に対して振動し、可動部が振動した際に、コイルがマグネットにより形成された磁極間の磁場を横切ることで生じる電磁誘導を利用して振動を検出する振動検出器において、外部接続端子とコイルとの間の電気的経路のうち、固定部と可動部とを接続する接続線として、導体パターンが形成されたフレキシブル基板を使用する。【選択図】図１

Description

本発明は、製造時・使用時に加えられる熱への耐性が高い振動検出器に関する。

従来、特許文献１〜３及び非特許文献１に示されるような振動検出器が速度や加速度の検出のために用いられている。従来の振動検出器の一例である動電型の振動検出器１００の横断面図を図６、７に示す。振動検出器１００は、ケース１０１、固定部を構成するマグネット１１１及び外部接続端子１１２、可動部を構成する上部コイルボビン１２１、上部コイル１２２、上部中継端子１２３、下部コイルボビン１３１、下部コイル１３２、下部中継端子１３３、コイルボビン連結軸１４１及び下部コイル中継線１４２、並びに、上部ばね１５１、下部ばね１５２及び接続線１５３を備える。

固定部は、ケース１０１に固定される構成要素の総称である。可動部は、上部コイルボビン１２１と下部コイルボビン１３１とがコイルボビン連結軸１４１により連結されて一体的に構成され、ケース１０１に上部ばね１５１と下部ばね１５２とによって弾性的に支持される。上部コイルボビン１２１はフランジ部１２１ａとボビン部１２１ｂとを備え、ボビン部１２１ｂに上部コイル１２２が巻回される。コイルボビン１３１はフランジ部１３１ａとボビン部１３１ｂとを備え、ボビン部１３１ｂに下部コイル１３２が巻回される。上部コイル１２２と下部コイル１３２は、マグネット１１１により形成される磁極間にそれぞれ配置される。上部コイル１２２の両端は、図６に示すように、フランジ部１２１ａ上に設けられた別々の上部中継端子１２３にそれぞれ接続される。各上部中継端子１２３は、別々の接続線１５３を介して、別々の外部接続端子１１２にそれぞれ接続される。下部コイル１３２の両端は、図７に示すように、フランジ部１３１ａ上に設けられた別々の下部中継端子１３３にそれぞれ接続される。各下部中継端子１３３は、コイルボビン連結軸１４１内に通線された別々の下部コイル中継線１４２を介して別々の上部中継端子１２３にそれぞれ接続される。更に各上部中継端子１２３は、別々の接続線１５３を介して、別々の外部接続端子１１２にそれぞれ接続される。つまり、外部接続端子１１２、接続線１５３、及び上部中継端子１２３は、上部コイル１２２用に２組、下部コイル１３２用に２組ずつ、すなわち、それぞれ４個ずつ設けられる。

ケース１０１に振動が加わることで、慣性力により可動部が固定部に対して振動する。このとき、マグネット１１１により形成された磁極間の磁場を上部コイル１２２及び下部コイル１３２が横切ることで、それぞれのコイルに誘導起電力が生じる。上部コイル１２２に生じた誘導起電力は、２つの外部接続端子１１２から取り出される。また、下部コイル１３２に生じた誘導起電力は、別の２つの外部接続端子１１２から取り出される。これらの誘導起電力の大きさを測定することで振動の速度や加速度を検出することができる。

特許第３４８６８４５号公報 特開２００３−３０２４２０号公報 特開２０１３−２９４４９号公報

工藤一嘉、外５名、「機動強震観測のための過減衰、動コイル型加速度計の開発と性能試験」、日本地震学会秋季大会講演予稿集、1997年、第２号、p.12

振動検出器は、高温（例えば１００〜１５０℃）の環境下で使用されることがある。固定部の外部接続端子と可動部の上部中継端子とを電気的に接続する接続線には一般に銅線が用いられるが、高温環境下では振動が加わることで金属疲労が促進されて劣化・断線が生じやすい。また、接続線は半田付けにより接続するため、半田付け作業の際の熱によっても接続線及び半田施工部の劣化・断線が生じうる。

また、外部接続端子はピン端子であるため、外部配線の外部接続端子への接続は半田付けにより行われるが、外部接続端子に長時間半田ごてをあてることで、接続線をはじめとする振動検出器内の半田施工部に熱が伝導し、接続部分が外れる恐れがある。しかし、外部配線の半田付けは振動検出器を組み立てた後に行うため、外部配線の半田付け作業による振動検出器内の半田施工部への影響を確認することができない。

更に、接続線は可動部の動作への影響を防ぐために、可動部の動きに合わせて伸縮するようコイルばね状に成形されるのが一般的である。しかし、成形は手作業で行われるため特性にばらつきが生じる。加えて、接続線は周囲の部品に接触しても支障が無いように絶縁被覆付きの極細線が使用され、各端子との接続に際しては絶縁被覆を除去する必要があるが、高温環境に耐えうる絶縁被覆は剥離しにくく、かつ、心線が極細線であることから、除去作業に高度の技術を要する。

このように、従来の構造では信頼性や組立作業性に問題があった。本発明の目的は、従来より信頼性が高く、かつ、組立作業性がよい振動検出器を提供することにある。

本発明の振動検出器は、マグネットと外部接続端子とを固定部に、コイルが巻回されたコイルボビンを可動部に、それぞれ備え、可動部が固定部に振動が加わった際の慣性力により固定部に対して振動し、可動部が振動した際に、コイルがマグネットにより形成された磁極間の磁場を横切ることで生じる電磁誘導を利用して振動を検出する振動検出器であって、外部接続端子とコイルとの間の電気的経路のうち、固定部と可動部とを接続する接続線として、導体パターンが形成されたフレキシブル基板を使用することを特徴とする。

接続線としてフレキシブル基板を用いることで、高温環境下における金属疲労による接続線の劣化・断線が生じにくくなり、信頼性が向上する。また、可撓性・復元性・摺動性が高いため、従来のように銅線をコイル状に成形する面倒な作業を経ることなく可動部をスムーズに振動させることができる。更に、フレキシブル基板は一般に平面的に構成され、振動による変形が一定方向に制御されるため、周囲との絶縁の確保がしやすい。

外部接続端子とコイルとの間の電気的接続は、具体的には例えば、外部接続端子が電気的に接続されたプリント基板を固定部に更に備え、フレキシブル基板の一端をプリント基板に、他端をコイルボビンに、それぞれ電気的に接続し、外部接続端子とフレキシブル基板との電気的な接続をプリント基板に形成された導体パターンを介して行うとよい。これにより、外部接続端子とフレキシブル基板との接続が容易になる。

特に、フレキシブル基板と前記プリント基板との接続、及び／又は、フレキシブル基板とコイルボビンとの接続をコネクタ接続にすることで、接続の作業性が向上するとともに、半田付け作業で加熱されることによる振動検出器内の接続線及び半田施工部の劣化・断線を防ぐことができ、信頼性が向上する。また、外部接続端子に外部配線を半田付けした際の熱伝導による接続線及び半田施工部の劣化・断線という問題の発生も避けることができる。更に、半田付け作業に際しての絶縁被覆の除去作業が不要になるという効果も奏する。高温環境に耐えうる絶縁被覆は剥離しにくいことに加え心線が極細線であることで除去作業に高度の技術を要していたため、これが不要になることで作業性を大きく向上することができる。

外部接続端子は、振動検出器の外部からの配線を、加熱を行わない任意の方法により電気的に接続可能に構成されているとよい。例えば、配線をねじ止めできるようにタップ加工を施しておく。これにより、外部接続端子への外部からの配線の接続が容易になるとともに、外部接続端子への加熱に基づき生じる振動検出器内の接続線や半田施工部の劣化・断線を防ぐことができ、信頼性を向上することができる。

コイルボビンを２つ備えた場合、外部接続端子が設けられる側に配置される第１のコイルボビンを導体パターンが形成されたコイルボビン連結軸により第２のコイルボビンと連結し、第２のコイルボビンに巻回されたコイルを当該コイルボビンのフランジ表面に形成された導体パターンを介して、コイルボビン連結軸の導体パターンと電気的に接続し、更に第１のコイルボビンのフランジ表面に形成された導体パターンを介してフレキシブル基板と電気的に接続するようにしてもよい。

これにより、第２のコイルボビンに巻回されたコイルを外部接続端子が設けられる側にあるフレキシブル基板と接続するための電気的経路が、導体パターンにより構成されるため、振動や加熱による銅線や半田施工部の劣化・断線の発生を未然に防ぐことができ、信頼性を向上することができる。

第２のコイルボビンに巻回されたコイルとフレキシブル基板との間の経路を２経路形成する場合に、第２のコイルボビンのフランジ表面に形成された導体パターンと第１のコイルボビンのフランジ表面に形成された導体パターンとの間の経路として、一方は導体であるコイルボビン連結軸自体を使用し、他方はコイルボビン連結軸表面に形成された絶縁膜上に形成された導体パターンを使用するようにしてもよい。

本発明の振動検出器の第１実施形態の構成例を示す図である。 本発明の振動検出器の第１実施形態の構成例を示す別の図である。 本発明の振動検出器の第２実施形態の構成例を示す図である。 本発明の振動検出器の第２実施形態の変形例を示す図である。 本発明の振動検出器の第２実施形態の構成例を示す別の図である。 従来の振動検出器の構成例を示す図である。 従来の振動検出器の構成例を示す別の図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。なお、各図において従来の動電型の振動検出器１００と機能上相違が無い構成要素については同じ符号を付している。

＜第１実施形態＞
図１、２は、本発明の振動検出器の一例である動電型の振動検出器２００の構成例を示す横断面図である。振動検出器２００は、ケース１０１、固定部を構成するマグネット１１１、外部接続端子１１２、及びプリント基板２１３、可動部を構成する上部コイルボビン１２１、上部コイル１２２、上部中継端子１２３、下部コイルボビン１３１、下部コイル１３２、下部中継端子１３３、コイルボビン連結軸１４１及び下部コイル中継線１４２、並びに、上部ばね１５１、下部ばね１５２及びフレキシブル基板２５３を備える。

固定部は、ケース１０１に固定される構成要素の総称である。可動部は、上部コイルボビン１２１と下部コイルボビン１３１とがコイルボビン連結軸１４１により連結されて一体的に構成され、ケース１０１に上部ばね１５１と下部ばね１５２とによって弾性的に支持される。上部コイルボビン１２１はフランジ部１２１ａとボビン部１２１ｂとを備え、ボビン部１２１ｂに上部コイル１２２が巻回される。コイルボビン１３１はフランジ部１３１ａとボビン部１３１ｂとを備え、ボビン部１３１ｂに下部コイル１３２が巻回される。上部コイル１２２と下部コイル１３２は、マグネット１１１により形成される磁極間にそれぞれ配置される。

可動部に設けられた上部コイルボビン１２１に巻回された上部コイル１２２の両端は、図１に示すように、フランジ部１２１ａ上に設けられた別々の上部中継端子１２３に任意の方法によりそれぞれ電気的に接続される。各上部中継端子１２３は、別々のフレキシブル基板２５３を介して、固定部に設けられた別々の外部接続端子１１２にそれぞれ接続される。フレキシブル基板２５３は、接続線として機能させるための導体パターンが長手方向に形成され、両端に接続された導体を相互に導通させる。フレキシブル基板２５３の材質は任意であり、使用される高温環境に相応しいものを選択すればよい。

固定部と可動部との間の接続線としてフレキシブル基板２５３を用いることで、高温環境下における金属疲労による接続線の劣化・断線が生じにくくなり、信頼性が向上する。また、可撓性・復元性・摺動性が高いため、従来のように銅線をコイル状に成形する面倒な作業を経ることなく、可動部をスムーズに振動させることができる。更に、フレキシブル基板２５３は一般に平面的に構成され振動による変形が一定方向に制御されるため、周囲との絶縁の確保がしやすい。

外部接続端子１１２とフレキシブル基板２５３との電気的な接続は、導通がとれれば直接・間接問わず、任意の方法で行ってよい。図１は接続方法の一例である、プリント基板２１３を介して接続する構成を示したものである。具体的には、外部接続端子１１２と上部コイルボビン１２１との間に位置するように、導体パターンが形成されたプリント基板２１３をケース１０１に固定する。そして、外部接続端子１１２とプリント基板２１３とを電気的に接続し、プリント基板２１３に設けられた導体パターン２１３ａを介してフレキシブル基板２５３と電気的に接続する。プリント基板２１３の材質は任意であり、使用される高温環境に相応しいものを選択すればよい。

外部接続端子１１２とプリント基板２１３の導体パターン２１３ａとの電気的な接続は、導通がとれれば任意の方法で行ってよい。例えば、図１に示すように外部接続端子１１２から延伸された銅線を導体パターン２１３ａに半田付けする。プリント基板２１３は固定部に含まれ外部接続端子１１２と一体的に振動するため、振動による半田施工部の劣化の問題は生じにくい。もっとも、振動検出器２００の外部からの配線を外部接続端子１１２に半田付けすると、半田施工時の熱が振動検出器２００内に伝わり振動検出器２００内の配線や半田施工部が劣化・断線する恐れがある。

このような場合には、振動検出器２００の外部からの配線を、加熱を行わない任意の方法により電気的に接続できるように外部接続端子１１２を構成するとよい。例えば、外部からの配線をねじ止め可能にタップ加工を施しておく。これにより、外部接続端子１１２への外部からの配線の接続が容易になるとともに、外部接続端子１１２への加熱に基づき生じる振動検出器２００内の配線や半田施工部の劣化・断線を防ぐことができ、信頼性を向上することができる。

プリント基板２１３に設けられた導体パターン２１３ａとフレキシブル基板２５３の一端との電気的接続、及びフレキシブル基板２５３の他端と上部コイルボビン１２１のフランジ部１２１ａ上に設けられた上部中継端子１２３との電気的な接続についても、導通がとれれば任意の方法で行ってよい。例えば、コネクタ接続とすることで、接続の作業性が向上するとともに、半田付け作業で加熱されることによる振動検出器２００内の配線及び半田施工部の劣化・断線を防ぐことができ信頼性が向上する。また、外部接続端子への外部配線の接続を半田付けにより行った場合に生じる熱伝導による振動検出器２００内の配線や半田施工部の劣化・断線という問題の発生も回避することができる。更に、半田付け作業に際しての絶縁被覆の除去作業が不要になるという効果も奏する。高温環境に耐えうる絶縁被覆は剥離しにくいことに加え心線が極細線であることから除去作業に高度の技術を要していたため、これが不要になることで作業性を大きく向上することができる。

可動部に設けられた下部コイルボビン１３１に巻回された下部コイル１３２の両端は、図２に示すように、フランジ部１３１ａ上に設けられた別々の下部中継端子１３３に任意の方法（例えば半田付け）によりそれぞれ電気的に接続される。各下部中継端子１３３は、コイルボビン連結軸１４１内に通線された別々の下部コイル中継線１４２を介して、別々の上部中継端子１２３に任意の方法によりそれぞれ電気的に接続される。更に各上部中継端子１２３は、別々のフレキシブル基板２５３を介して、別々の外部接続端子１１２にそれぞれ接続される。つまり、外部接続端子１１２、フレキシブル基板２５３、及び上部中継端子１２３は、上部コイル１２２用に２組、下部コイル１３２用に２組、すなわち、それぞれ４個ずつ設けられる。

ケース１０１に振動が加わることで、慣性力により可動部が固定部に対して振動する。このとき、マグネット１１１により形成された磁極間の磁場を上部コイル１２２及び下部コイル１３２が横切ることで、それぞれのコイルに誘導起電力が生じる。上部コイル１２２に生じた誘導起電力は、２つの外部接続端子１１２から取り出される。また、下部コイル１３２に生じた誘導起電力は、別の２つの外部接続端子１１２から取り出される。これらの誘導起電力の大きさを測定することで振動の速度や加速度を検出することができる。

＜第２実施形態＞
従来の動電型の振動検出器１００においては、下部コイルボビン１３１に巻回された径が非常に細い下部コイル１３２の端末を、下部中継端子１３３で径がより太い下部コイル中継線１４２に持ち替えることで、振動検出器の耐久性や組立作業性の向上を図っている。しかし、下部中継端子１３３での持ち替えに際しては、下部コイル１３２の端末と下部コイル中継線１４２とが一般に半田付けされており、高温環境下での使用や外部接続端子１１２での外部配線の半田付け時の熱伝導により半田施工部が劣化・断線する恐れがある。第２実施形態は、このような問題の根源である下部中継端子１３３での半田付けを無くすべく、下部コイル中継線１４２をコイルボビン連結軸１４１上に形成された導体パターンにより代替する構成である。

図３は、本発明の振動検出器の一例である動電型の振動検出器３００の構成例を示す横断面図である。振動検出器３００は、ケース１０１、固定部を構成するマグネット１１１、外部接続端子１１２、及びプリント基板２１３、可動部を構成する上部コイルボビン１２１、上部コイル１２２、上部中継端子１２３、下部コイルボビン１３１、下部コイル１３２、及びコイルボビン連結軸１４１、並びに、上部ばね１５１、下部ばね１５２及びフレキシブル基板２５３を備える。第１実施形態の振動検出器２００とは、下部中継端子１３３及び下部コイル中継線１４２が省略されている点において構成が異なる。

下部コイルボビン１３１に巻回された下部コイル１３２の両端は、図３に示すように、フランジ部１３１ａの表面に形成された別々の導体パターン１３１ａａに圧着などの方法によりそれぞれ電気的に接続される。各導体パターン１３１ａａはそれぞれコイルボビン連結軸１４１に向けて延伸され、コイルボビン連結軸１４１の表面に形成された別々の導体パターン１４１ａに圧着などの方法によりそれぞれ電気的に接続される。更に、各導体パターン１４１ａは上部コイルボビン１２１に向かって延伸され、上部コイルボビン１２１のフランジ部１２１ａの表面に形成された別々の導体パターン１２１ａａに圧着などの方法によりそれぞれ電気的に接続される。更に、各導体パターン１２１ａａは別々の上部中継端子１２３に向けてそれぞれ延伸され、圧着などの方法により各上部中継端子１２３とそれぞれ電気的に接続される。これにより、下部コイル１３２とフレキシブル基板２５３との導通がとられる。

導体パターン１２１ａａ、１３１ａａが形成されるフランジ部１２１ａ、１３１aの材質は、フランジとして相応しく、導体パターンを形成可能であり、かつ高温環境に強いもの（例えば、ポリイミド樹脂）を選択すればよい。導体パターン１４１aが形成されるコイルボビン連結軸１４１の材質についても、連結軸として相応しく、導体パターンを形成可能であり、かつ高温環境に強いもの（例えばアルミニウムに絶縁膜が形成されたもの）を選択すればよい。

以上のように構成することで、半田付け部分を減らすことができ、かつ、下部コイル中継線が導体パターン化されるため、作業性の向上や可動部の質量低減が図られ、これにより工数の低減及び商品の低価格化を図ることができる。また、半田付け部分が減ることで、半田付け作業で加熱されることによる振動検出器内の配線及び半田施工部の劣化・断線の危険を減らすことができ、信頼性が向上する。

なお、下部コイル１３２の２つの端末と、そのそれぞれと電気的に接続される２つのフレキシブル基板２５３とを電気的に結ぶ２経路について、コイルボビン連結軸１４１上に導体パターン１４１ａを２経路形成する代わりに、コイルボビン連結軸１４１の表面に形成された絶縁膜上に導体パターン１４１ａを図４に示すように１経路だけ形成し、もう１経路については導体であるコイルボビン連結軸１４１自体を使用するようにしてもよい。

また、上部コイルボビン１２１上にも導体パターンを形成して、上部コイル１２２と上部中継端子１２３との導通をとってもよい。すなわち、上部コイルボビン１２１に巻回された上部コイル１２２の両端は、図５に示すように、フランジ部１２１ａの表面に形成された別々の導体パターン１２１ａａに圧着などの方法によりそれぞれ電気的に接続される。各導体パターン１２１ａａは別々の上部中継端子１２３に向けてそれぞれ延伸され、圧着などの方法により各上部中継端子１２３とそれぞれ電気的に接続される。これにより、上部コイル１２２とフレキシブル基板２５３との導通がとられる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。例えば、実施形態では動電型の振動検出器を例にとって説明したが、必ずしも動電型である必要はなく、可動部が固定部に振動が加わった際の慣性力により固定部に対して振動し、可動部が振動した際に、固定部のマグネットにより形成された磁極間の磁場を可動部のコイルが横切ることによって生じる電磁誘導を利用して振動を検出する振動検出器であれば、型式によらず適用可能である。

１００、２００、３００、３００ａ 振動検出器
１０１ ケース １１１ マグネット １１２ 外部接続端子
１２１ 上部コイルボビン １２２ 上部コイル １２３ 上部中継端子
１３１ 下部コイルボビン １３２ 下部コイル １３３ 下部中継端子
１４１ コイルボビン連結軸 １４２ 下部コイル中継線
１５１ 上部ばね １５２ 下部ばね １５３ 接続線
２１３ プリント基板 ２５３ フレキシブル基板

Claims (7)

1. 固定部に、マグネットと外部接続端子とを備え、
   前記固定部に振動が加わった際の慣性力により前記固定部に対して振動する可動部に、コイルが巻回されたコイルボビンを備え、
   前記可動部が前記固定部に対して振動した際に、前記コイルが前記マグネットにより形成された磁極間の磁場を横切ることで生じる電磁誘導を利用して振動を検出する振動検出器において、
   前記外部接続端子と前記コイルとの間の電気的経路のうち、前記固定部と前記可動部とを接続する接続線として、導体パターンが形成されたフレキシブル基板を使用することを特徴とする振動検出器。
2. 前記固定部は、前記外部接続端子が電気的に接続されたプリント基板を更に備え、
   前記フレキシブル基板は、一端が前記プリント基板に、他端が前記コイルボビンに、それぞれ電気的に接続され、
   前記外部接続端子と前記フレキシブル基板との電気的な接続は、前記プリント基板に形成された導体パターンを介して行われる
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出器。
3. 前記フレキシブル基板と前記プリント基板との接続、及び／又は、前記フレキシブル基板と前記コイルボビンとの接続は、コネクタ接続であることを特徴とする請求項２に記載の振動検出器。
4. 前記外部接続端子は、前記振動検出器の外部からの配線を、加熱を行わない任意の方法により電気的に接続可能に構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の振動検出器。
5. 前記外部接続端子は、前記振動検出器の外部からの配線をねじ止めできるようにタップ加工が施されていることを特徴とする請求項４に記載の振動検出器。
6. 前記コイルボビンを２つ備え、
   前記外部接続端子が設けられる側に配置される第１の前記コイルボビンは、コイルボビン連結軸により第２の前記コイルボビンと連結され、
   第２の前記コイルボビンに巻回されたコイルは当該コイルボビンのフランジ表面に形成された導体パターンを介して、前記コイルボビン連結軸に形成された導体パターンと電気的に接続され、更に第１の前記コイルボビンのフランジ表面に形成された導体パターンを介して前記フレキシブル基板と電気的に接続されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の振動検出器。
7. 第２の前記コイルボビンに巻回されたコイルと前記フレキシブル基板との間の経路を２経路形成する場合に、第２の前記コイルボビンのフランジ表面に形成された導体パターンと第１の前記コイルボビンのフランジ表面に形成された導体パターンとの間の経路として、一方は導体である前記コイルボビン連結軸自体を使用し、他方は前記コイルボビン連結軸表面に形成された絶縁膜上に形成された導体パターンを使用することを特徴とする請求項６に記載の振動検出器。